На страницах этой книги мы познакомились с природой света, составом и свойствами солнечных лучей, оценили силу и разнообразие их воздействий на живые существа. Не зря солнечный луч называют животворным: Земля стала колыбелью жизни, родным домом человечества в огромной мере благодаря солнечному теплу и свету. Не только зарождение жизни, но и весь длинный и сложный путь ее развития связан с постоянным использованием лучистой энергии Солнца, с воздействием потоков частиц солнечного вещества, магнитных и электрических процессов па Солнце.
С развитием жизни на Земле, с усложнением форм ее организации связь жизни с Солнцем становится все более многообразной. И видимые, и невидимые лучи Солнца участвуют в повседневной жизни земных растений и животных: освещают их и согревают, снабжают недостающими веществами, служат средством познания окружающего мира, увеличивают сопротивляемость живых существ невзгодам, изменяют наследственные свойства организмов, очищают воздух и воду от микробов.
Но есть еще один вид связи между земной жизнью и Солнцем, еще одно направление вмешательства солнечного луча в процессы жизнедеятельности — влияние на ритмику жизненных процессов.
Все реакции обмена веществ, все физиологические функции организмов осуществляются ритмически, волнообразно: периоды деятельного состояния сменяются периодами относительного покоя. В жизненном цикле каждой клетки период ее деятельности, процесс производства определенных ферментов, гормонов, антител и тому подобных веществ сменяется периодом синтеза нуклеиновых кислот, а затем — периодом клеточного деления. Свои физиологические ритмы можно обнаружить в деятельности сердца (сокращения и расслабления сердца складываются в закономерный пульсовой ритм), легких (чередование вдохов и выдохов), желудочно-кишечного тракта (выделение пищеварительных соков совершается через правильные промежутки времени), центральной нервной системы (периоды сна и бодрствования). Одним словом, все жизненные процессы протекают волнообразно. Частота жизненных ритмов разнообразна: от тысячных долей секунды до нескольких десятков и даже сотен лет (ведь жизнь каждого организма — это тоже период в жизни органического вида, одна волна синусоиды). А самые кратковременные, короткопериодические ритмы наблюдаются в течении некоторых обменных реакций, в работе нервных клеток. На любое однократное воздействие извне (например, на удар или вспышку света) чувствительная нервная клетка отвечает залпом нервных импульсов. Величина их одинакова, а количество возрастает с увеличением силы раздражения; продолжительность же каждой волны измеряется тысячными долями секунды.
Согласно глубокой мысли выдающегося отечественного физиолога Ивана Петровича Павлова, волнообразность проявляется во всех тех случаях, когда борются противоположные процессы. Действительно, взаимодействие полярных сил обнаруживается в каждой физиологической функции. В деятельности нервной системы — это процессы возбуждения и торможения. Единство противоположно направленных сил, волнообразные колебания физиологических функций вокруг какой-то средней, нормальной величины — замечательное, единственное в своем роде качество жизни. Оно обеспечивает очень точную и чувствительную регулировку функции организма, ее приспособление к условиям существования, к потребностям живого существа в каждый данный момент. Малейшее изменение соотношения полярных сил проявляется существенным сдвигом функции организма в сторону усиления или ослабления. Контролировать функцию легко: управляющий механизм может вызывать изменения любой степени с помощью минимальных воздействий.
Направление сдвигов жизненных функций, иногда в сторону усиления, иногда в направлении ослабления имеет в сущности одну цель — приспособление к волнообразно и периодически изменяющимся условиям существования. Все живое на Земле существует и подчиняется двум основным ритмам, связанным с вращением Земли вокруг своей оси (смена дня и ночи) и вокруг Солнца (смена времен года). Суточный и годовой ритмы сопровождаются изменениями длительности и силы солнечного сияния, колебаниями температуры, влажности воздуха, направления и силы ветров и т. п., оказывающими весьма существенное влияние на жизнедеятельность организмов. Поэтому уже для первых, самых просто устроенных живых существ насущной жизненной потребностью было согласование своих внутренних ритмов с внешними, природными ритмами. Индивидуальная жизненная программа строилась так, чтобы периоды активной жизнедеятельности и размножения происходили в благоприятный сезон природных условий. В период, когда условия для жизни малопригодны, жизнедеятельность ограничивалась, чтобы снизить опасность для отдельных живых существ.
Чтобы это стало возможным, организмы должны были с самого начала «работать по графику» — подчинять жизненные процессы очень строгому и совершенно точному ритму, совпадающему с ритмом физических процессов на земной поверхности. Осуществить это можно было двумя принципиально различными путями. Либо жизнедеятельность каждого живого существа должна на протяжении всего его существования постоянно контролироваться земным хронометром — сверяться с ритмом геофизических процессов, синхронизироваться с колебаниями какого-то одного существенного физического фактора, например светового, температурного, барометрического. Либо каждый организм вырабатывает собственную систему отсчета времени — внутренние биологические часы, которые нужно лишь периодически сверять с ритмом земного хронометра.
Наука еще не сделала окончательного выбора между этими возможностями. До сих пор не установлено точно, пользуются организмы внутренними или внешними часами. Американский ученый Ф. Браун считает, что магнитное и электрическое поле Земли, изменяясь в течение суток и на протяжении года, играет роль датчика времени для биологических ритмов, обеспечивает отсчет времени организмами. Советский биофизик А. С. Пресман, разделяющий эту точку зрения, подчеркивает, что источником информации о суточном ритме в природе могут служить суточные колебания интенсивности космических лучей, электрического и магнитного поля Земли, радиоизлучения Солнца. Многочисленные опыты показывают, что организмы, помещенные в условия постоянного освещения, температуры, давления и т. п.,— упорно и длительно продолжают сохранять суточную периодичность функций и процессов. По мнению Ф. Брауна, слабые колебания магнитного и электрического полей выполняют роль внешних часов, перенося внутрь организмов, живых клеток информацию о суточной (и годичной) динамике процессов в земной природе.
Однако подавляющее большинство специалистов по биохронометрии придерживаются противоположной точки зрения; они предполагают существование в клетках и живых организмах собственных, внутренних биологических часов. Этот вывод опирается на большой исследовательский материал. Если инфузорию, устрицу, таракана или фасоль поместить в специально созданные условия постоянной температуры, влажности, освещения и длительно исследовать у них ритмику жизненных процессов, выясняется одно любопытное обстоятельство. Ритмичность функций и процессов действительно сохраняется длительно. Но эти ритмы лишь приблизительно совпадают с суточным ритмом в природе. Даже у организмов одного вида, у близких родственников эти ритмы не одинаковы и чаще всего отличаются от 24-часовой периодичности земных суток. В условиях полной темноты у одного из тараканов период колебаний может быть равен 23 часам, у второго — 26 или 28 часам. Эти ритмы получили название околосуточных, или циркадных.
Индивидуальная частота колебаний сохраняется очень стабильно. Можно ли ее нарушить, изменить? Оказывается, можно. Если темноту камеры, где содержатся подопытные «живые хронометры», прорезать на тысячную долю секунды лучом света, произойдет неожиданное. Независимо от того, в какое время суток произошла световая вспышка, «заключенные» принимают ее за точку нового отсчета времени, за начало циркадного цикла. И все живые организмы (тараканы, мухи, растения и т. п.), длительно пребывавшие в темноте и обладающие своими собственными, индивидуальными часами, спешащими или отстающими по сравнению с временем суток, как бы подводят свои часы, устанавливают их заново. Все начинают использовать световую вспышку как точку отсчета времени. Иными словами, свет в этом опыте играет роль синхронизатора жизненных процессов, индивидуальных циркадных ритмов, роль сигнала точного времени для всех биологических часов. Отсчет от нулевой точки каждый организм ведет, пользуясь индивидуальным циркадным ритмом.
Большинство ученых истолковывают эти данные так. Очевидно, каждый организм имеет свои внутренние, наследственно обусловленные биологические часы, свой личный циркадный ритм, в пределах которого фазы деятельности и покоя, возбуждения и торможения автоматически сменяют друг друга. У каждого организма ритмы различных процессов либо совпадают, либо скоординированы так, что на протяжении периода одного ритма укладывается целое число периодов другого ритма. Иными словами, в каждом живом существе имеется целая иерархия ритмов, подчиняющаяся одному главному (циркадному) ритму. Более частые колебания выглядят при этом как мелкая рябь па поверхности крупных волн. А главный, циркадный ритм все время как бы проверяется, корректируется сигналами из внешней, природной среды, оповещающими о длине земных суток.
Существование биологических часов признается не всеми учеными. Однако ясно, что, если они существуют, точность их хода, их увязка с колебаниями физических условий на Земле, их синхронизация и «завод» осуществляется светом, солнечным лучом. Ни температура, влажность или скорость ветра, а именно свет, переходы от дня к ночи и обратно, ежедневный ритм освещения постоянно закручивает пружину жизни, проверяет точность хода биологических часов.
Ну, а если живые существа своего механизма отсчета времени не имеют? Тогда роль Солнца в регуляции жизненных процессов еще больше. В этом случае Солнце прямо, своим световым излучением, или косвенно, через изменение параметров электрического и магнитного поля Земли, вносит порядок, временную организацию в течение жизненных процессов, выполняет роль уже не синхронизатора, а регулятора биологических процессов.
Окончательное решение вопроса о природе и месте расположения биологических часов — впереди. Но уже сегодня можно дать научное объяснение устройству внутриклеточного механизма отсчета времени. Очевидно, самым первым клеточным ритмом было чередование периодов синтеза, самоудвоения молекул ДНК. Это единственные молекулы, способные к самоудвоению, и повторение циклов их воспроизведения могло служить первичным способом отсчета времени. Роль биологических часов могут играть и другие циклические внутриклеточные процессы, отличающиеся короткой периодичностью. Некоторые ученые придают главное значение энергетическим процессам (зарядке и перезарядке клеточных мембран), физическим колебаниям типа объединения молекул в комплексы и их разъединения, движениям частиц в протоплазме, разнообразным химическим реакциям. Известно, например, что многие внутриклеточные реакции обмена веществ замедляются и приостанавливаются, когда накапливается большое количество конечных продуктов этой реакции. Механизм отрицательной обратной связи обеспечивает волнообразное течение биохимических реакций, ритмичное колебание их активности вокруг средней величины. Такие реакции пригодны для отсчета времени.
Каждая клетка обладает подобного рода биохимическими хронометрами. У одноклеточных и растений этим дело ограничивается. У животных же образуется одна какая-то группа клеток, берущая на себя роль ведущего регулятора ритмов, главных часов организма. У млекопитающих и человека такой «пульт управления» ритмами расположен, по-видимому, в подкорковых центрах мозга: зрительном бугре, подбугровой и сетчатой областях и в гипофизе. Суточная периодичность жизненных функций у животных с удаленными полушариями головного мозга сохраняется полностью. Находящиеся в подбугровой области центры углеводного, жирового, водно-солевого обмена, температуры тела оказывают синхронизирующее влияние на все клетки организма через вегетативную нервную систему и железы внутренней секреции, которыми управляет гипофиз. Чем выше уровень организации, тем точнее работают биологические часы, ближе циркадный ритм к суточному, тем труднее его сдвинуть.
Наряду с циркадным ритмом существуют и более продолжительные жизненные циклы, зависящие от изменения длительности и силы освещения. К их числу относятся лунные, годичные ритмы и приливно-отливные ритмы, присущие многим обитателям прибрежных вод. По-видимому, в этих случаях единый механизм отсчета времени; одинаков и регулятор, и синхронизатор — свет. У растений свет воспринимается листьями, у животных — светочувствительными клетками кожи и сетчатки глаз.
Сезонные колебания освещения, температуры, влажности имеют чрезвычайно важное значение для всех органических видов, так как с ними увязывается цикл размножения организмов. Приспособленность живых существ к земным условиям жизни выражается, в частности, в том, что они выводят потомство, приступают к цветению и плодоношению в строго определенные, наиболее благоприятные для этого периоды. Растения короткого дня зацветают в период, когда длительность светового дня уменьшается, т. е. осенью. Растения длинного дня зацветают весной, на фоне удлиняющегося светлого времени суток. Под влиянием света в молодых зеленых листьях вырабатываются гормоны, способствующие зацветанию.
У животных с увеличением длительности дня тоже усиливается деятельность желез внутренней секреции, особенно половых, что благоприятствует весеннему размножению. Рождение потомства в этом случае приходится на теплое время года, и к наступлению холодов молодняк успевает обычно «стать на собственные ноги».
Итак, все живое на Земле, все жизненные процессы в теле бактерий и высших растений, инфузорий и человека совершаются ритмично, волнообразно. Каждый живой организм — это система, иерархия взаимодействующих, скоординированных, соподчиненных ритмов, от короткопериодических (исчисляемых долями секунды, минутами, часами) до суточных, лунных, годичных ритмов. Суточный, циркадный ритм, очевидно, основной из них. Синусоида, волнообразная кривая, описывающая эту суточную ритмику, очень проста. Но на каждом витке кривой, на каждом ее изгибе размещается несколько более мелких волн второго порядка. Более внимательный анализ позволяет выявить и волны третьего, четвертого, пятого порядков — все более мелкую рябь на гребнях волн. Непрерывная соподчиненность ритмов прослеживается и в другом направлении, т. е. суточная волнообразность накладывается на более медленные, но отличающиеся большей амплитудой месячные и годичные волны. В системе волн господствует четкая координация ритмов.
Ее нарушение, вероятно, служит причиной или важным механизмом многих болезней. Психические травмы, переутомление, атака микробов или вирусов могут, по данным американского биохронолога К. Рихтера, нарушить синхронность физиологических процессов, привести к болезни. Некоторые опыты прямо свидетельствуют о серьезной опасности нарушения координации ритмов. В нервных узлах таракана — наиболее частого и удобного подопытного животного биохронологов — выявлена группа клеток, задающих циркадный ритм. У разных особей этот ритм, как мы уже знаем, несколько различен. Если таракану приживить этот «руководящий» нервный узел от другого таракана, в его теле окажется два «пульта управления», работающих к тому же не вполне синхронно. Органы и ткани таракана, получающие противоречивые приказы, постепенно выходят из повиновения. Проявление беспорядка — развитие злокачественных опухолей.
Эти опыты способны убедить скептиков в том, что ритмичная организация жизненных процессов — закономерная система, диктуемая потребностями существования организмов в среде с ритмично изменяющимися свойствами.
Солнечный луч — луч жизни, источник жизненной энергии и информации — выполняет еще и эту ответственнейшую и важнейшую функцию — синхронизирует все бесчисленное множество индивидуальных биологических часов, ежедневно «заводит» их, закручивая до отказа энергетическую пружину жизни. Жизненные ритмы возникли под влиянием периодического воздействия солнечных лучей и связаны с Солнцем с помощью солнечного луча. Он является носителем упорядоченности, источником ритма и координации жизненных процессов, а по мнению некоторых ученых, непосредственно отмеряет время любого физиологического процесса.
Жизнь каждого организма ограничена, имеет довольно жесткие временные параметры. Быть может, поэтому для большинства организмов годичный цикл представляется пределом длительности, наиболее крупным ритмом. Но с точки зрения сроков существования видов и биосферы в целом годичный ритм представляется мелкой рябью, которая накладывается на крупные волны.
Каковы они? О них уже шла речь. Это 11-, 22-, 80-, 180-летние и более длительные циклы солнечной активности, медленно, но весьма значительно изменяющие условия жизни на отдельных участках земной поверхности, географических зонах и целых континентах. Но 180 лет — тоже, видимо, не предел величины солнечных волн. Данные археологии, раскопки и исследования пещерных рисунков в Сахаре обнаружили, что не всегда эта область была столь бесплодна, что когда-то там колосились высокие травы, паслись огромные стада животных, лились благодатные дожди и текли многоводные реки. Периоды повышенной влажности сменялись засушливыми периодами, а их длительность составляла, по расчетам, около 1600 лет. Но и это еще, видимо, не предел.
Геологическая история Земли по мере ее изучения обнаруживает довольно правильное чередование периодов горообразования, бурной вулканической деятельности, обледенения с периодами отступления ледников, потепления и ослабления геологических процессов. Современная наука допускает зависимость этих периодов от вращения солнечной системы вокруг центра Галактики. Изменение интенсивности гравитационного влияния галактического ядра, возможно, вызывает своеобразную «пульсацию» процессов в недрах Земли, смену периодов ее расширения и сжатия — горообразования, землетрясения, извержения вулканов и т. п. А период обращения Земли вокруг галактического ядра около 200 млн. лет.
От тысячных долей секунды до сотен миллионов лет — таков диапазон периодичности солнечных ритмов, таков размах колебаний, непосредственно влияющих на биосферу. Волны солнечного моря раскачивают лодку жизни, то ускоряя, то замедляя ее ход. И каждый толчок, каждая волна находит отклик в недрах жизни, рожденный силой, энергией, теплом солнечного луча.
Немало его тайн познала сегодняшняя наука. Проникновение в секреты биологических часов наверняка увеличит власть человека над живой природой, над собственным телом. А сколько еще не раскрытых тайн ждет смелых и пытливых! Сколько ярких гипотез, важных идей, неожиданных мыслей возникнет завтра у исследователей свойств солнечного луча. Сколько новых открытий ждет ученых в ближайшем будущем! Но будем справедливы — и того, что мы знаем сейчас, достаточно, чтобы оценить по достоинству и помянуть добрым словом нашего лучшего друга — луч Солнца, луч жизни, этого неутомимого труженика, энергия которого бьется в нашем мозгу, течет по артериям, сила и точность которого постоянно заводят и механизм нашего внутреннего хронометра. В спешке и напряженном ритме жизни не следует забывать, что человек — создание матери-природы, подчиняющееся ее величественным и строгим законам, что мы дети Солнца и солнечного света.