Использование часов

         Нам хорошо знаком жест, которым мы подносим часы к уху, чтобы проверить, идут ли они. А как узнать, что часы идут у живых организмов? Нельзя ли вынудить их оставлять какие-нибудь метки в строго определенное время?
Ответ на этот вопрос дали растения. Опыт был несложен. К растению присоединили прибор, записывающий движения листьев. (Как известно, листья любого растения в течение суток совершают определенные движения). На растение в 2 часа дня подействовали вспышкой света. В результате реакции листьев на эту вспышку в записи движений (линия на ленте) появился зубец. На следующий день в то же время он снова появился, хотя никаких вспышек не было. Так продолжалось еще несколько дней. Растение упорно рисовало зубец в 2 часа дня, оно как бы метило то время, в которое была вспышка. Опыт усложнили – подвергли растение нескольким вспышкам в течение суток. После этого оно рисовало уже несколько зубцов в достаточно точное для каждой вспышки время. Растение запомнило время каждой вспышки, а наблюдатель воочию убедился, что запомнило оно точно. Разве можно сделать точные отметки на движущейся ленте, не имея внутренних часов?
Точность хода таких часов поразительна, для того чтобы ее проверить, можно рассчитать отклонения длины суточного периода ритма от 24 часов. У птиц и грызунов часы идут с погрешностью всего 2 – 5 минут за сутки. Некоторые исследователи предполагают, что птичьи часы «идут» с точностью морского хронометра. У человека внутренние часы работают не хуже, чем у остальных млекопитающих. Внутренние часы прекрасно обеспечивают пробуждение его не только от нормального сна, но и от гипнотического. Так, гипнотизер может предложить гипнотизируемому проделать некое действие в указанное время, например, в 12 часов 40 минут. И спящий человек не ошибется, хотя пользуется он только внутренними, «головными» часами. Растения по точности своих часов уступают животным. Их погрешность составляет 15 – 20 минут в сутки. Примерно так же идут часы холоднокровных животных.
Всякие часы дают своему обладателю способность узнавать время суток. И не только одну эту способность.
Каждому животному необходимо питаться, а это подчас весьма затруднительно без часов. Например, некоторым насекомым, которые питаются нектаром, нужно знать, когда открываются «столовые» – цветы, много ли нектара сейчас у клевера или лучше лететь на зонтичные. Ведь выделение нектара периодично у многих цветов, а периоды у них разные.
Проделаем простой опыт. Подменим пчелам цветы маленькими чашечками с сиропом. Чтобы это больше походило на цветы, каждую чашечку будем наполнять в одно и то же время суток и на один и тот же интервал времени – убирать. На трех чашках (а, б, с) это будет выглядеть так:
а – убирается с 13 до 16 часов, а наполняется в 18 часов;
б – убирается с 9 до 12 часов, а наполняется в 15 часов;
с – убирается с 18 до 21 часа, а наполняется в 10 часов.
Манипулируя таким образом около улья, мы заметим, что пчелы привыкли к нашему расписанию. Чувство времени их не подводит, часы «идут» правильно (только бы наши шли точно), и насекомые вовремя прилетают к чашкам. Более того, ко времени опустения чашки к ней подлетает меньше пчел, а сразу за наполнением ее – больше. Способность искать пищу в определенное время дня сохраняется в течение 6 – 8 дней, даже если чашки перестают наполнять
После этого довольно простого опыта пчелам приготовили сюрприз. В области с одним местным временем их приучили к поискам пищи в определенное время дня. Допустим, произошло это в Новосибирске. Пчелы исправно в 8 часов вылетали за взятком и всегда в определенном месте его находили. Но однажды ночью два «обученных» улья на самолетах увезли – один в Москву, а другой в Иркутск. Там ульи поставили точно в таком же месте, как в Новосибирске, и, соответственно, к 8 часам утра по местному времени на обычных местах наполнили чашечки сиропом. Что же произошло?
В Москве пчелы вылетели искать пищу ровно в 8 часов утра, но... по новосибирскому времени. Бедные насекомые в предрассветный час (в Москве было всего 4 часа утра) ощупью искали чашку с сиропом. А в это время она даже не была поставлена. Несколько суток повторялись поиски сиропа среди ночи, пока сборщицы не перестроились на новое время. Только после «перевода» своих часов на московское время пчелы смогли нормально питаться. В Иркутске же пчелы долгое время были «засонями». Чашечки с сиропом стояли, а насекомые выжидали в улье, когда же подойдет 8 часов утра по новосибирскому времени.
Отвлечемся от пчел и вспомним их родственников по отряду - муравьев. Они тоже общественные насекомые и, судя по работам сибирского мирмиколога Ж.И. Резниковой – одни из самых умных, во всяком случае, в своем отряде. Почему бы им ни предложить те же задачи по суточным ритмам, что и пчелам? Пусть порешают. Будучи в гостях у мирмикологов Томского университета, я уговорил их обратить внимание на эту тематику. Сотрудники увлеклись, распланировали будущую структуру экспериментов, заинтересовали студентов этими работами и договорились, что осенью я приеду и помогу провести счетную обработку результатов. Муравьям, как и пчелам, собирались предложить чашки с сиропом и выяснить скорость освоения ими режима наполнения чашек и их опустошения.
Осенью я приехал в Томск и зашел к мирмикологам узнать результаты опытов и договориться о совместной обработке. Встретили меня хмуро. Оказалось, что никаких результатов нет, хотя опыты упрямо ставились все лето. Точнее, результат всего один, другого муравьи не предложили. Обрабатывать совершенно нечего, потому что по этому результату их чувствительность и точность работы внутренних часов определить невозможно. Хотя статистика очень хорошая.
Что же происходило в ходе опыта? Да всегда одно и то же! Как только фуражиры муравьев находили поставленные чашки с сиропом, тут же начиналась работа по их опустошению. У опустевшей чашки всегда выставлялось два муравья-наблюдателя. Как только в чашку наливали сироп, один из них оставался сторожить пенный продукт. Другой же, с полным зобиком сиропа, бежал в муравейник, сообщать радостную весть. В такой схеме потребления сиропа места для внутренних часов не находилось.
– Ай да муравьишки! – восхитился я.
– Да уж - вяло поддержали меня сотрудники.
– А почему вы не убрали сторожей? – спросил я. – Тогда бы пришлось запоминать время.
– Вы просто не знаете муравьев – ответили мне. – Конечно, мы их убирали, но человек не может соревноваться с муравейником. Все лето мы убираем, а муравьи тут же выставляют новых. Они их могут выращивать тысячами за лето. Это уже получается работа по совсем другой теме.
Так и не получился опыт. Действительно гениально простой способ выживания предложили муравьи. Правда, этот результат вовсе не доказательство отсутствия у муравьев точных внутренних часов.
При помощи своих часов животные могут ориентироваться в пространстве. Например, по солнцу. Поскольку солнце в течение дня перемещается, то в каждом промежутке времени, чтобы не сбиться в пути, нужно изменять угол по отношению к светилу. Таким образом, чтобы сохранять одно направление, нужно иметь точные часы. Многочисленные наблюдения показали, что птицы совершают свои перелеты, очень точно выдерживая направление. Оно выдерживается безукоризненно, невзирая па скорость передвижения, Например, гуси с подрезанными крыльями осенью дружно замаршировали на юг и, наверное, в конце концов, пришли бы куда надо. Уже одни эти факты убеждают нас в том, что птицы имеют хорошие часы.
Особое место в изучении часов у птиц занимают классические опыты немецкого ученого Густава Крамера. Именно они в 50-х годах прошлого столетия возобновили интерес ученых всего мира к хронобиологическим проблемам. Для своих опытов исследователь использовал скворца.
Сначала птицу учили искать пищу строго на западе в любое время суток. Скворец вылетал из скворечника, в зависимости от времени определял по солнцу угол и летел в западном направлении за кормом. Наученного скворца поместили в обширном вольере и ширмой закрыли от него настоящее солнце. После этого вольер осветили искусственным, неподвижным светилом, таким образом, чтобы свет всегда падал с запада. Скворец, ничего худого не подозревая, принял солнце за настоящее и начал свои вылеты за пищей, ориентируясь по нему. Часы у него шли хорошо и угол своего полета в зависимости от нахождения солнца он «вычислял» виртуозно! Соответственно утром в 6 часов, проснувшись и сориентировавшись по «солнцу», он полетел на восток вместо запада. В полдень угол изменился (солнце, по скворчиному пониманию, переместилось), и птица полетела на север. Только вечером, когда солнце садилось и настоящее соответствовало искусственному, скворец полетел на запад к вожделенной кормушке. Он не знал, что солнце «сидело» там целый день, но время отсчитывал с удивительной точностью.
Не менее примечательно вели себя и морские блохи, когда им «предложили» продемонстрировать свои способности узнавать время. Если этих животных перенести подальше от моря на сухое место, то они возвращаются назад к воде кратчайшим путем, то есть под прямым углом к берегу. Это направление избирается с помощью солнца и собственных часов. Блох перевезли из Италии в Аргентину. На новом месте направление так же было сориентировано по солнцу, но в соответствии с ходом часов на родине. Разница во времени 6 часов. В ориентацию вкралась еще одна досадная погрешность – солнце в южном полушарии двигалось в противоположном направлении по отношению к северу. Блохи ничего этого не знали и поползли искать воду в противоположном от берега направлении.
То же самое происходило с пчелами при перевозке их из одного полушария в другое. В Южном полушарии они ориентировались неправильно. Даже их гибриды с местными пчелами не могли правильно выбирать направление.
Но не всегда ритм проявляет такую косность, и часы животного не меняют своего хода. Однажды с острова Ява в Европу на пароходе перевозили орангутанга. Животное все время спало ровно по 12 часов в сутки, причем его внутренние часы постепенно перестраивались. Однако не в темпе, соответствующем скорости корабля. В результате на долготе мыса Доброй Надежды животное спало с 2 часов дня до 2 часов ночи. На родине же сон этой обезьяны длится с 6 часов вечера до 6 часов утра. На родственнике этой обезьяны – человеке экспериментируют много чаще, и далее мы познакомимся с некоторыми результатами таких опытов. Самый распространенный из них перенести человека на дальнее расстояние, где время совсем не соответствует тому, что на его часах. Как это делали с пчелами.
Тогда эти часы, которые не останавливались и постоянно отсчитывали время, станут показывать его неправильно. Это и происходит, если их хозяин быстро переместится на восток или запад. Ведь там окажется другое время. Все мы куда-нибудь ездили или летали, поэтому нам ситуация понятна. Часы у такого перемещенного организма сначала не совпадают с новым местным временем и упрямо показывают старое, привычное. Через некоторое время они приходят в соответствие и новым часовым поясом и уверенно показывают уже местное время. Этот феномен перестройки часов на новое местное время давно известен хронобиологам. Время, затраченное на перестройку ритма, они называют «критическим периодом» или «периодом синхронизации с новым датчиком времени», или просто переходным периодом. Мы же помним, что наши внутренние часы все время подстраиваются под какой-нибудь близкий по периоду природный ритм, внешний по отношению к организму. Он является для часов датчиком времени. Датчик времени он же водитель ритма, или затягивающий агент или просто синхронизатор. Чаще всего для организма таким синхронизатором выступает колебание освещенности: день – ночь. Прилетел из Москвы в Новосибирск, пожил немного по московскому времени, но через двое-трое суток уже привык к местному времени. На самом же деле такая перестройка не столь скоротечна, да и не безобидна для организма. И к этому мы еще не раз вернемся. Ведь наш суточный режим очень сложен сам по себе. Он подстроен и согласован с огромным количеством внешних колебательных процессов, при этом сам он состоит из более сотни колебательных процессов находящихся в строго определенных фазовых отношениях. Зачем же нужны эти специфические фазовые отношения? Простой пример: для того чтобы поесть и переварить съеденное, нужно взаимно выстроить по фазам ритмы выделения пищеварительных ферментов. Каждый из них строго в свою очередь должен обрабатывать соответствующие компоненты поступившей в организм пищи. А если изменится датчик времени, например по фазе, то соответственно сдвинется и время приема пищи. Начнется критический период настройки на новый ритм, а, следовательно, рассогласование и всех ритмов подачи пищеварительных ферментов. Вот и произойдет, например, выброс соляной кислоты в еще пустой желудок. Она разрушит его стенку вместо пищи, а там глядишь эту обработанную кислотой «пищу» уже начнет «варить» следующий пищеварительный сок.
Итак, если сменился датчик времени, организму нужно перестроить свой ритм к новому режиму. Поскольку такая перестройка сложна и связана не только с изменением фазовых отношений многих организменных ритмов, но и с новой фазовой синхронизацией этих измененных ритмов, то времени она потребует много. Для каждого вида организма продолжительность переходного периода суточного ритма специфична. Чтобы это доказать, рассчитывали такие периоды для разных видов грызунов. Для этого зверьков переводили на новый датчик времени и ежесуточно записывали их суточный ритм. Запись продолжали, пока картина его не становилась обычной для этого грызуна при старом датчике времени. Чаще всего продолжительность критического периода у разных видов сибирских грызунов была от 8 до20 суток, и только у некоторых видов такой период «казался более длительным – 30 и более суток. Когда же понадобилось рассчитать характерный для человека критический период, то набрали студентов-энтузиастов и переправили их на самолете из Новосибирска в Магадан. Такое это преодоление сразу многих часовых поясов заставляет адаптироваться к сильно отличающемуся по фазе датчику времени. Сначала оценку продолжительности адаптации проводили по хронограммам следующих суточных ритмов студентов: уринации, зевания и пр. Сравнивали характер распределения той или иной реакции по шкале времени. Получалось, что через 3-4 дня подопытные уже привыкали к новому времени и их магаданские суточные кривые стали примерно походить на новосибирские. Однако ученые, проводившие эксперимент оказались весьма дотошны, и они стали пересчитывать полученные данные, представляя их не по шкале времени, а по частотной шкале. Тут-то и оказалось, что через 3-4 дня ни у одного из студентов не проявлено ни одного из обычных периодических составляющих суточного ритма, даже суточные пики отсутствовали. В основном у всех одна и та же картина разрушенного ритма, когда при отсутствии суточной составляющей наблюдаются только 2 – 3-часовые периодичности. Так что критический период отнюдь не закончился. Восстановились же у них суточные ритмы и проявились на частотных спектрах только на 17 сутки. То же повторилось и при обратном перелете. Внешне и по самочувствию студентов казалось, что ритмы восстановились уже через четверо суток. На самом же деле нормализовалась картина суточного ритма так же только на 17-сутки. Так что человек, несмотря на свой интеллект, умственным усилием он не может перестроить свой ритм. Для восстановления его нарушенной биоритмологической системы требуется довольно много времени.

Лев Ердаков