Сломать, чтобы понять

           Разрушаем, чтобы узнать, как это устроено! А начинается все обычно с детства. Ребенок отрывает у куклы голову и сосредоточенно смотрит, что там внутри. Человек растет, и вот уже отрок разбирает будильник, не будучи уверен, что соберет его. Так уж устроен наш привычный мир – чем больше разобранных будильников, тем вероятнее достаточное число мастеров часовых дел. В науке поиск также часто идет через разрушение объекта. Путь этот труден и не всегда приводит к намеченной цели.

Существует предание о бане. Старое предание.

Стояла в одной стране баня. Мылись в ней люди искони, и сносу той бане не было. Была у нее одна особенность: все отопление и нагрев воды осуществлялись с помощью простой восковой свечи. Секрет, видно, был или в особой конструкции бани, или в месте ее постройки, или в чем-нибудь еще. Но главное: захотел человек вымыться, пришел в баню, зажег свечку, и через полчаса банька готова.

Очень заинтересовало это чудо ученых, съехались они отовсюду. Посмотрели на баню. Помылись. И твердо решили секрет ее разгадать. Стали просить хозяев, чтобы баньку разобрать, клялись, что все как было соберут. Уговорили. Разобрали. Изучили.

Собрали. И стоит по сю пору банька, но... ее приходится топить дровами. Не отличается она больше от других бань. Что-то там случилось, не нагревается больше от свечи.

С ритмом такое вряд ли может произойти, но ученые ко всему относятся очень осторожно, особенно к разрушениям. Ведь не всегда известно, что разрушится. Кажется, что кирпич, а выходит – принцип. А разрушать приходится - иначе, как же строить?

Вот и посмотрим, как можно разрушить суточный ритм, рассогласовать его составляющие. Может быть, это даст нам новые сведения о внутренних часах!

В природе довольно сложно найти животное с нарушенным суточным ритмом. Если его внутренние часы начали идти неправильно и по каким-то причинам перестали согласовываться с внешним датчиком времени, то жизнь такого ущербного зверька сильно осложняется. Нарушаются его внутренние физиологические функции. Расстройство согласованности систем организма создает не только неудобство, но и болезни. Начинают осложнять жизнь такой особи и внешние причины. Ведь она словно бы попадает в чужое время, следовательно, повышается вероятность погибнуть в зубах хищника. Таким образом, в обычных условиях мы наблюдаем в основном здоровых животных с «правильно идущими» часами. Для того, чтобы выяснить причины и следствия нарушения суточного ритма, приходится проделывать эксперименты.

Обычный путь таких исследований мы уже знаем по работам Дженит Харкер. Животных отлавливают и подвергают различным внешним воздействиям, подчас довольно сильным. Если экспериментатору удается вызвать у кого-нибудь из них нарушение ритма, то еще одной или несколькими сериями экспериментов он выясняет, к каким результатам это привело: каким стал ритм, надолго ли закрепились изменения, не привели ли они к нарушению некоторых физиологических функций организма. Такое направление в хронобиологии, пожалуй, самое развитое, и привлекает все большее число исследователей. Посмотрим, какие опыты проводились еще.

Прежде всего, проверялась гипотеза «голодного ритма». Это было самым первым представлением о природе ритма. Основой ритма считалось чередование насыщения и голодания. Исследователи были уверены, что часы идут, пока животных кормят, а голод – сигнал: «У вас остановились часы. Скорее поешьте!» К сожалению, гипотеза эта не выдержала проверки, и сколько бы ни голодали подопытные животные, часы у них исправно шли.

Тем не менее, ученые продолжали разрабатывать целую серию примитивных гипотез, основанных на «голодных ритмах». Тут было и соотношение элементов обмена веществ, и действие ферментных ядов. Но, увы, еще не случалось в науке, чтобы неверная гипотеза стала основой жизнеспособных теорий.

Оставив обмен веществ, исследователи штурмовали ритмы разнообразием температур. Первым толчком к изучению влияния температуры на период ритма послужило предположение, что суточный ритм обусловлен чередованием химических процессов. Предполагалось, что высокая температура вызовет уменьшение, а низкая – увеличение периода. И сначала опыты подобного рода оправдывали это предположение. Однако методика их страдала некоторыми недостатками. Прежде всего, применявшиеся методы не обеспечивали точных определений периода, а, кроме того, из-за методических трудностей продолжительность опытов была невелика – всего 1 – 2 периода. С учетом этих погрешностей! были заложены долгосрочные эксперименты по действию высоких и низких температур и получены поразительные результаты: оказалось, что периодичность не зависит от температуры. Включаются какие-то компенсационные механизмы. В начале опыта при пониженной температуре замечается сильное замедление ритма, однако через несколько дней ритм ускоряется, пока, наконец, не устанавливается обычная длительность периода.

Ответ на любой вопрос в науке рождает массу новых вопросов. Так произошло и с гипотезой о температурной независимости ритма животных. Коль скоро ученые пришли к мысли о существовании компенсаторного механизма, который сводит на нет воздействие температурных изменений, то начался активный поиск таких механизмов. Ставились серии опытов, сравнивалась активность животных в природе в различных температурных условиях. Но как отнестись к тому, что при изменении температуры ритм все-таки нарушался и некоторое время был изменен?

Не менее заинтересовала хронобиологов и другая проблема. Кроме температуры среды существует еще температура тела самого животного. Влияют ли ее изменения на ритмы активности, сбивают ли они ход внутренних часов? Как известно, у теплокровных животных температура тела мало зависит от температуры среды. Что если ее искусственно понизить? Нарушится ли ритм? Понизили. Понаблюдали. И пришли к выводу, что у теплокровных животных циркадные ритмы зависят от изменения температуры тела не более, чем у холоднокровных. Значит, неизменность хода внутренних часов обусловлена не относительным постоянством температуры тела, а чем-то иным.

Ответы на оба эти вопроса долго ждали своего исследователя, и только к концу 20 века ученые пришли к выводу о том, что температурная независимость ритма обеспечивается биохимическими особенностями организма. Была предложена простая модель компенсации с помощью химических реакций температурных воздействий на организм. Часть химических реакций в нашем организме становится интенсивнее с понижением температуры, а часть – с повышением. При любых температурных изменениях организм компенсирует их, перемещая центр тяжести то на одни, то на другие.

Хотя непрерывное освещение и не может, как мы уже видели, нарушить период суточного ритма. Организм просто перейдет на внутренние часы, но в то же время, чередование света и темноты служит важнейшим регулятором суточного ритма. Поэтому от нарушения периодичности освещения ждут наибольших результатов. Нарушим регулятор, часы разрегулируются, а это-то как раз и нужно. Кроме того, свет многолик. Мы можем менять продолжительность освещения от длительного времени до вспышки магниевой лампы во тьме. Неплохо попробовать на животном разную длину световой волны, освещать его всякими лучами – от инфракрасных до ультрафиолетовых. Наконец, существует разная интенсивность света. Весь этот арсенал возможностей был применен в экспериментах с живыми организмами. Посмотрим некоторые результаты, вызывающие наибольшее доверие.

Вредное действие красных и ближних инфракрасных лучей обнаружено у растений. При освещении последними не только уменьшалась продолжительность периода, но, кроме того, ритм затухал быстрее, чем при непрерывной темноте или освещении красными лучами. Наступали даже неравномерные короткие циклы. В то же время обнаружилось, что непрерывная темнота более благоприятна для поддержания внутреннего ритма животных и растений, чем непрерывное освещение.

Вовсе необязательно действовать на животных непрерывным светом. Для регулировки ритма оказалось достаточным осветить подопытного зверька на короткий промежуток времени. Хватило того, что ежегодно на животных или растения действовали в одно и то же время светом, прерывающим темноту всего на несколько минут. При этом ритм изменялся таким образом, что в течение нескольких дней начало активности, обычно наблюдавшееся днем, следовало в новой заданной фазе. Но изменение ритма под действием света возможно лишь в определенных пределах. При очень сильных отклонениях от 24-часового цикла, по крайней мере, при длительности его менее 16 часов, приспособление внутренних часов оказывается невозможным. В этом случае проявляется присущий организму ритм с длительностью цикла около 24-х часов. У мышей пределы регуляции достигаются уже при 20-часовом периоде. У других животных и большинства растений удается уменьшить период до 18 часов. Верхние границы у растений, животных и человека составляют 28 – 30 часов.

Иная картина наблюдается лишь в тех случаях, когда искусственно вызванным ритмом удается расчленить периодически изменяющуюся систему на отдельные части, ритмические колебания которых не связаны друг с другом. Этого можно достичь, например, действуя попеременно светом и темнотой по 6 часов. К такому ритму могут приспособиться растения, а возможно, и некоторые животные, когда происходит десинхронизация ритма, которая может сохраниться и после переноса растения в непрерывную темноту. Дело здесь в том, что по своей конструкции организмы на планете можно разделить на две группы: унитарные и модулярные. Унитарные – это, например, большинство животных. У такого организма из яйца появляется организм, который и доживает до смерти. Модулярные же – это растения, грибы. Из яйца этих организмов развивается некая единица строения (модуль). Она порождает затем все новые и новые модули, напоминающие самый первый. Их тело состоит из большого числа одинаковых частей – модулей, где повторяются все основные элементы этого организма. Так у цветкового растения основной модуль это лист вместе с его пазушной почкой и с прилегающим участком стебля. Вот и получаются у растения отдельные части – модули, каждый из которых имеет свои часы. Ход часов разных модулей одного растения можно изменять разным соотношением света и темноты. Получаем рассогласование ритмов разных частей одного организма.

Итак, найден действенный способ, как рассогласовывать ритм и приводить его в несоответствие со средой. В этом направлении двинулись немецкие ученые. Они основывают свои наблюдения на фундаментальных исследованиях Вильгельма Пфеффера, проведенных еще в начало прошлого века. Немецкие физиологи А. Пирсон и В. Шен рассмотрели периодичность обмена веществ у водорослей, которым задают определенный режим и переносят в темноту. В темноте этот режим сохранился. Там же в Германии В. Грабенсберг исследовал сохранение искусственно вызванного ритма у муравьев и термитов. Может быть, это направление близко к разгадке природы внутренних часов? Опыты продолжаются.

А что, если в основе функционирования внутренних часов лежит химический механизм?

Давно известно, что изменения обмена веществ в организме также имеют суточную цикличность. Это послужило основой для предположения о химическом механизме работы физиологических часов. Развернулось целое направление, изучающее влияние различных химических веществ на ритм. Приняли участие в нем и сибирские ученые. Ю.П. Шорину и Ю.О. Киму удалось получить рассогласование между двумя физиологическими процессами в рамках суточного ритма у животных, получавших в рационе избыток соли.

Другими учеными опробована уже масса реактивов, от эфирного наркоза до цианидов (очень сильные яды). Подопытных лишали кислорода, пробовали на них ингибиторы (вещества, угнетающие активность ферментов). Результаты таких опытов оказались обескураживающими. Влияние сильных ядов на суточный ритм проявлялось лишь при концентрациях, в которых они причиняли большой вред организму.

Наблюдений, опытов в этой области еще великое множество. Мы посмотрели, как ученые строят гипотезы, проверяют их. Для уточнения принципа работы внутренних часов они измышляют способы их поломки. А, поломав – пытаются восстановить. Опять вспоминается история с баней. Но кто знает – появится еще один ученый, поковыряет баньку... и, пожалуйста! Приносите свечку и мойтесь.

Лев Ердаков