Ритчи Уорд - Живые часы

Феномен де Мэрана привлекал внимание многих выдающихся ботаников XIX столетия, среди которых были Декандоль, Гофмейстер, Дарвин, Сакс, Пфеффер. В 1875 и 1915 годах вышли две книги Пфеффера об устойчивой ритмичности суточных движений листьев.

Саксу уже в конце XIX столетия было ясно, что световой цикл окружающей среды, никак не влияя на ритмы у растений, служит лишь контролем временной периодичности, которая обусловлена, по-видимому, другими причинами. В это время очень многие ботаники интересовались приспособительными функциями подобных ритмов. Дарвин был даже уверен, что возникновение у растений в результате естественного отбора способности измерять время неизбежно приводило к появлению адаптивных преимуществ.

Эндогенное (или экзогенное) происхождение ритмов

Зависимость биологических ритмов от окружающих условий была основным предметом обсуждения в научной литературе на рубеже XX столетия вплоть до 1930 года. Предполагалось, что сохранение ритмов в условиях постоянной темноты и постоянной температуры зависит от действия на организм неких внешних сил. Называли, например, неизвестный фактор X, который якобы представляет собой еще не выявленную периодичность в окружающей среде. Даже в наше время имеется лаборатория, которая признает существование такого фактора. Профессор Браун из Северо-западного университета опубликовал большую серию статей, в которых сообщает об обнаружении точной 24-часовой ритмической активности живых организмов (дыхание, движение и т. д.), фазы которой тесно связаны с местным временем. Эту периодичность (реальность существования которой пока еще не обоснована) Браун приписывает влиянию фактора X. Однако позиция его подвергается серьезной критике со стороны большинства работающих в этой области ученых, уже давно пришедших к заключению, что феномен де Мэрана полностью зависит от эндогенных (внутренних), а не от экзогенных (внешних) причин.

Доказательство такой точки зрения опирается на результаты многочисленных наблюдений. Вот основные. Периодичность, сохраняющаяся в постоянной темноте и при постоянной температуре, может быть нарушена прекращением доступа необходимого организму кислорода, то есть переводом его тканей в состояние аноксии, а также охлаждением организма до температуры, при которой приостанавливается его обмен. Когда же подача кислорода возобновляется или температура повышается до уровня, необходимого для нормального течения обмена, ритмическая активность восстанавливается. Энергия, необходимая для поддержания этих колебаний, вырабатывается в процессе обмена веществ. Ритм возобновляется с того самого момента, когда он был остановлен. Этот факт очень важен, поскольку он свидетельствует о независимости фазы ритма в постоянной темноте от местного времени, то есть от вращения Земли. Значит она должна быть независимой от всех факторов, связанных с вращением Земли (включая и фактор X).

Наибольшее впечатление производит тот факт, что период ритмической активности, сохраняющийся в темноте, отличается от периода вращения Земли. Сторонники эндогенной природы ритмов считают, что, только допустив очень громоздкие и маловероятные предположения, можно объяснить, например, происхождение периода длительностью в 23 часа 15 минут влиянием неизвестного внешнего фактора с периодом точно 24 часа.

Для колебаний, открытых де Мэраном, Халберг ввел термин «циркадный» (околосуточный). Этот термин подчеркивает различие в длительности периода колебаний и периода вращения Земли. Кроме того, он исключает двусмысленность, имеющуюся в термине «дневной» (в одних случаях им обозначают дневное время суток, в других — используют его в значении «суточный»). Период циркадного ритма лишь приблизительно равен периоду вращения Земли вокруг своей оси.

Организмы, принадлежащие к одному и тому же виду, генетически различаются между собой по длительности периодов свободнотекущих ритмов — периодов, которые они обнаруживают в условиях, исключающих влияние изменений светового цикла окружающей среды.

Было бы несправедливо объединять профессора Брауна с ранними исследователями фактора X, поскольку он не считает, что этим фактором можно полностью объяснить феномен де Мэрана. Браун не отрицает возможность существования периодичности и внутреннего происхождения. Его интерес к фактору X определяется потенциальной ролью последнего, как своего рода регулятора ритма, который обеспечивает точность внутренним колебаниям и компенсирует изменения температуры.

Всеобщность и распространенность циркадных ритмов

Феномен де Мэрана наблюдали у очень большого числа самых разных организмов: одиночных клеток, растений и животных, включая человека. Этот феномен является общей характеристикой физиологической организации живых существ на нашей планете. У одноклеточной светящейся водоросли Gonyaulax Гастингс и Суини обнаружили циркадные колебания фотосинтеза и клеточного деления. У мышей и крыс наблюдаются ритмические изменения фактически всех изучавшихся параметров: химического состава крови, деления клеток, температуры тела, чувствительности к рентгеновским лучам и наркотикам и т. д.

Практическое значение недавних открытий в этой области очень велико. Определенная доза токсического вещества, выделенного из кишечной палочки человека, убивает 85 % мышей при введении его в одной фазе их циркадного цикла и только 5 % — в другой. Аналогичный эффект был обнаружен Халбергом для действия сердечного стимулятора строфантина. Фаза циркадного цикла организма — очень важный параметр, которым физиолог не может и не должен пренебрегать. Тем более фармаколог!

Как сообщает Питтеидрай, поведение дрозофил и их устойчивость к изменению температуры различны на разных фазах циркадного ритма. Кроме того, выявлены заметные изменения в удельной активности ферментов при испытании любой ферментной системы in vitro (в искусственных условиях), если она изъята из организма не днем, как обычно, а глубокой ночью. Наблюдаются различия в скорости реакции между ферментом и субстратом (веществом, с которым он реагирует).

Точность, врожденных и температурная независимость циркадных ритмов

Циркадные ритмы удобнее всего изучать, регистрируя ту или иную особенность поведения организма в целом. Так, при работе с млекопитающими очень удобно наблюдать за их двигательной активностью. Грызуны, например, любят бегать во вращающихся клетках. Время начала активности и ее продолжительность легко регистрируются, если соединить вращающуюся клетку с микровыключателем и самописцем. Как только клетка начинает вращаться, перо самописца вычерчивает линию, длина которой пропорциональна времени активности (рис. 54). Начало активности при 24-часовом цикле чередования света и темноты соблюдается точно. Ночные животные начинают свою активность где-то около «заката». Если такой организм поместить в условия постоянной темноты и постоянной температуры, период активности сохраняется с удивительным постоянством и неограниченно долго. Интервал, отделяющий начало одной активности от другой, и есть период циркадного ритма.

Наиболее поразительная особенность циркадных ритмов — это сохранение их точности и постоянства в течение неограниченно долгого времени. Стандартная ошибка в длительности периода для свободнотекущих ритмов некоторых грызунов может составлять не более одной минуты. Другими словами «ошибка» составляет величину порядка 0,001.

Более того, эта ритмичность является врожденной. Она не заучивается на основании индивидуального опыта. Врожденность ритмов была показана на одноклеточных организмах, на насекомых и позвоночных.

Возможно, наиболее удивительным свойством циркадных ритмов является тот факт, что на их периоде почти совсем не сказываются даже значительные изменения температуры. Эта температурная независимость ритмов по праву представляет собой отдельную большую проблему. Трудность простого физиологического объяснения этого явления определила, по крайней мере отчасти, возобновление интереса Брауна к возможному существованию и влиянию на организмы внешнего регулятора ритмики (фактора X).

Рис. 54. Циркадные ритмы двигательной активности оленьей мыши. Цикл чередования света и темноты (СТ 1: 23) выдерживался 59 дней. К шестому дню ритм был затянут этим циклом. Начиная с 60 по 92 день вводятся условия постоянной темноты и ритм опять становится свободнотекущим. С 93 по 132 день мышь выдерживают в условиях СТ 18: 6, затем опять в условиях постоянной темноты. Обратите внимание на удивительную точность периода свободнотекущего ритма.

Клеточная основа циркадных ритмов.

За последние десять лет был установлен очень важный факт — циркадные ритмы существуют на всех уровнях организации. По данным Соннборн и Барнетт, представители Paramecium multimicronucleatum могут с правильной периодичностью переходить от одного типа размножения к другому в течение суток.