Биологические часы (стр. 1 из 3)
С.Э. Шноль, Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, лаборатория физической биохимии Института теоретической и экспериментальной биофизики РАН, г. Пущино
В XVIII в. было естественно работать в разных научных направлениях – это был стиль еще недавнего Ренессанса. Ученый секретарь Парижской королевской академии наук де Мэран был астрономом и математиком. Он вел переписку со многими выдающимися исследователями разных стран. Тогда не было журналов, и о научных результатах сообщали друг другу в письмах и обобщали их в мемуарах и диссертациях. В 1729 г. де Мэран сообщил о замечательном наблюдении.
Кто сейчас, когда значительная часть жителей нашей страны имеет огороды, не видел, как растет фасоль? Все видели. А кто замечал, что ночью фасоль опускает листья, а перед рассветом поднимает? Мало кто это видел – что за фантазия идти ночью на огород смотреть на фасоль!
Эти «никтинастические» движения листьев заметил де Мэран. И он сделал важнейший опыт: поместил фасоль в темную комнату – в темноту и днем и ночью – и наблюдал, что движения листьев продолжаются и без изменения освещенности: поднимаются, когда наступает день (а в комнате все равно темно) и опускаются ночью. Как листья определяют, что там, «на воле», день или ночь? У них есть часы? Может быть, фасоль чувствует изменения температуры?
У многих растений листья располагаются перпендикулярно солнечным лучам и стеблю днем и параллельно стеблю ночью. Эти движения «засыпания» можно зарегистрировать на вращающемся барабане с помощью специально закрепленного пера (А). У многих растений, таких как обыкновенная фасоль, листья продолжают эти движения в течение нескольких дней даже при непрерывном тусклом освещении. (Б) – запись этого циркадинного ритма, в условиях непрерывного тусклого освещения
Термостатов тогда не было. В 1758 г. Дюмель повторил опыты де Мэрана, поместив растения в глубокую пещеру – во мрак, где температура была неизменна и днем и ночью. Движения листьев продолжались (постепенно, через много дней, эти движения затухают, но от очень короткой вспышки света движения возобновляются, причем так, как будто все время часы шли, только листья-стрелки не двигались).
Прошло 270 лет с открытия де Мэрана. Проблема биологических часов трудами десятков выдающихся исследователей весьма разных специальностей близка к разрешению.
Внутриклеточные ритмы
Что мы знаем о биологических часах сейчас, в начале XXI в.? Знаем, что они есть в каждой клетке, что в многоклеточных организмах все часы всех клеток должны идти согласовано, образуя иерархическую систему: часы отдельных клеток управляются часами органа, часы всех органов настраиваются по часам центральной нервной системы (если она есть), а в ней – в мозге – есть главные часы организма. Знаем, что биологические часы активны (в отличие от солнечных часов) и эндогенны, т.е. они «идут» сами – внутри каждой клетки есть свой «маятник», «колебательный контур», периодический процесс, отмеривающий единицы времени. При этом ход внутриклеточных часов, как и ход искусственных, рукотворных? часов, можно подстраивать по фазе – «подводить стрелки» соответственно с периодическими процессами окружающей среды, прежде всего суточным вращением Земли.
«Часовой механизм», как и полагается особо ценному имуществу, передается по наследству – в клетках есть гены часов. Эти гены, как и любые другие, подвержены мутациям и, следовательно, естественному отбору.
Мы, в основном, понимаем, зачем нужны часы в клетках – ясно, что для согласования жизнедеятельности со сменой дня и ночи, т.е. в качестве приспособления к вращению Земли вокруг своей оси. А поскольку в средних и высоких широтах соотношения светлого и темного времени в течение года не одинаковы, часы необходимы и для приспособления к смене времен года, т.е. для приспособления к наклону земной оси относительно плоскости орбиты. Тут мало измерить соотношение светлого и темного времени суток, нужно еще знать, растет или убывает день (ночь) – иначе можно спутать весну и осень.
Часы нужны и тем, кто должен учитывать лунные ритмы. Это, прежде всего, обитатели приливных зон побережий океанов. Время «высокой воды» или «низкой воды» изменяется из-за несовпадения лунных и земных суток. Учет сдвига времени приливов и отливов невозможен без точных внутренних часов. Понятно и назначение иерархического подчинения часов в многоклеточном организме – организм должен функционировать как целое: рассогласование функций органов и тканей приводит к различным болезням.
Без часов нельзя решить задачи навигации. Заметив, что богатые нектаром цветущие растения растут под определенным углом относительно положения Солнца, пчелы при повторном полете за нектаром должны делать поправку на движение Солнца. Для этого нужны часы. Умеют вносить поправку на время суток и птицы, ориентируясь в перелетах ночью по звездам или днем по Солнцу.
Нет, не все тут понятно! Зачем морским одноклеточным жгутиконосцам – например пиридинеям, гониаулаксу (Gonyaulax), знать, что наступила ночь? Они светятся ночью и не светятся днем. Какой в этом смысл? Кому они подают световые сигналы и зачем? Зачем часы примитивному грибу нейроспоре? Ясно, что часы им нужны – иначе они не сохранились бы при естественном отборе. А зачем нужны? Не знаем, зато известно, что это бесценные объекты для изучения природы часов.
Что мы знаем о природе биологических часов? Откуда следует, что они эндогенны, что их ход не определяется каким-то внешним периодическим процессом?
Де Мэран показал, что дело не в периодической смене дня и ночи. Дюмель – что дело не в периодических изменениях температуры. Но они, не имея точных приборов, могли не заметить небольших изменений. Кроме того, может быть, дело в каких-то других, физических, факторах – атмосферном давлении, электромагнитных трудно экранируемых излучениях или, вообще, в каких-то еще неизвестных излучениях Солнца?
Главный довод в пользу эндогенности состоит в следующем. В постоянных, по всем параметрам контролируемых условиях, период внутриклеточных часов вовсе не равен ровно 24 ч. Такой «свободный» период может быть и 22 (и даже 16), и 28 ч. Это лишь, как говорят по предложению Халберга, «циркадный» (околосуточный) период.
Циркадные, собственные, эндогенные часы подстраиваются внешними периодическими процессами под 24-часовой период земных суток. Но их можно подстроить и под другие периоды – растянуть до 48 ч или сжать до 16 ч. Это делают в искусственных условиях с растениями, животными, человеком, когда изучают поведение часов в условиях, имитирующих, например, условия длительного космического полета или подводного плавания.
Итак, основной механизм часов – внутри клетки. Как устроен этот механизм? Чтобы выяснить это, нужно ответить на несколько вопросов.
Первый вопрос: для измерения времени нужен какой-то периодический процесс – «маятник». Что за маятник используется в клеточных часах, и какова точность их хода? Точность часов определяется самым высокочастотным процессом в их механизме. Живым организмам вряд ли нужна точность выше, чем несколько секунд в сутки. Значит, должен быть процесс с периодом колебаний порядка секунд. Какой это процесс? (Пчелы и птицы вносят поправки на движение Солнца или вращение звездного неба, т.е. Земли, с точностью до нескольких минут.)
Второй вопрос: как обеспечивается независимость хода часов от температуры? Ход часов не должен зависеть от температуры. Уж очень непостоянна температура среды обитания. Независимость от температуры – очень трудное условие поиска: все химические процессы и большинство физико-химических процессов сильно зависят от температуры.
Третий вопрос: как осуществляется преобразование высокочастотного процесса в низкочастотный? В наших механических часах преобразования от секундных колебаний маятника (секундная стрелка делает оборот за 1 мин) к движению минутной стрелки (оборот за 1 ч) и 12-часовому обороту часовой стрелки осуществляются посредством делителей частоты – системы шестеренок. Как в биологических часах осуществляется преобразование околосекундных колебаний в околосуточные?
Четвертый вопрос: как происходит регулировка и подстройка часов относительно внешних периодических процессов («сигналов точного времени»)? Должны быть «рецепторы», воспринимающие эти внешние сигналы, например световые импульсы.
Остается еще много важных вопросов и среди них такой: как осуществляется «временная организация» – согласование всех внутриклеточных часов многоклеточного организма? Такое согласование предполагает какую-то систему сигнализации между клетками. А тогда возникают новые вопросы: что за сигналы посылают они друг другу? Как достигается иерархия – подчинение часов одних клеток сигналам часов других, «руководящих», клеток? Где в клетке находятся часы? Где в многоклеточном организме со сложной анатомией находятся главные часы?
Исследованием природы биологических часов заняты лаборатории в разных странах. Здесь работали и работают выдающиеся исследователи: «классики» Фриш, Бюннинг, Питтендрич, Хастингс, Халберг, и много новых, относительно молодых биологов, физиков, математиков. Далеко не на все перечисленные вопросы получены ответы, и все же успехи здесь замечательны.
Биохимические колебательные процессы и внутриклеточные часы
Итак, мы должны определить природу внутриклеточного периодического процесса, не зависящего от температуры, имеющего период порядка секунд, колебания которого преобразуются в околосуточные. Процесс этот должен настраиваться по внешним ритмам (свет–темнота) и по сигналам, идущим от других клеток многоклеточного организма.
В середине 1950-х гг. мысль о возможности существования колебательных, периодических химических (биохимических) реакций казалась очень странной. Как это может быть, чтобы в химической реакции все молекулы реагировали то с одной скоростью, то с другой, т.е. были бы все то в одном, то в другом состоянии? Казалось, что это допущение противоречит законам термодинамики.