Часы внутри нас

Большинство живых существ — люди, животные, растения — обладают «приборами времени», позволяющими им измерять прошедшие промежутки их жизни. Однако с «живыми часами» связаны также и физиологические функции, которыми во многих случаях биологические часы «руководят» без нашего ведома. Только некоторые отдаленные ощущения говорят о неустанной работе приборов времени в нашем организме.

Что-то непонятное, странное происходило с подопытными насекомыми и животными в одной из экспериментальных лабораторий, занимающейся изучением биологических часов.

Все тараканы ползли за едой, а подопытный засыпал. Все засыпали, а наш подопытный бежал есть. Вернее, таракан делал все то же, что и другие, только с отставанием на полсуток.

Подопытные куры и петухи вели себя тоже странно. Спали днем, а когда их собратья садились на насесты, просыпались и бежали клевать зерно. А петухи еще петь к вечеру начинали так, как на заре.

Что же произошло? В данном случае ученые просто «подвели Стрелки» живых часов у животных. Это наиболее простой способ воздействия на время, текущее в клетках организма. «Часы» на некоторое время останавливают, а затем включают. Как экспериментаторы это делают — разберем несколько позднее.

Для значительной части животных и растений биологические ритмы задаются циклическими изменениями факторов окружающей среды. К таким очевидным факторам можно отнести суточные, лунно-приливные, лунные и годовые циклы. По этим вехам живые организмы проверяют свои собственные ритмы или внутренние колеблющиеся системы. Поэтому для многих обитателей суши и воды циферблатом служит огромное небо, а стрелками — солнечный луч.

Заглянем в маленький мирок, кишащий жизнью, — небольшой пруд. Сколько здесь низших рачков — дафний! Сначала может показаться, что каждая крошка беспорядочно снует в воде.

На самом деле все предопределено, и каждый организм в пруду ориентируется как у себя дома. Все дафнии собраны в одно облачко-стадо, а поляризованные солнечные лучи четко расчерчивают толщу воды. Человеческий глаз не может отличить поляризованный свет от неполяризованного, поэтому ему кажется, что лучи света просто освещают толщу воды. Но ведь помимо порядка, вносимого в подводный мир лучом, поляризованный свет, который видят дафнии, выступает как часовые стрелки. Свет поляризуется в воде и сложным глазом дафнии. Если даже Солнце закрыто облаками, дафнии все равно определяют время по плоскостям поляризации света.

Пчелы также способны видеть поляризованные лучи. Им только надо увидеть кусочек неба в щель или леток улья, чтобы определить где находится на небе Солнце и который час. Безошибочно чувствуют время козы, собаки, кошки и другие животные. Кому неизвестно, что собаки встречают точно в определенный час хозяина, возвращающегося с работы?

У меня была кошка Зорька, с точностью до минуты знающая приход с работы каждого члена семьи. Ежедневно в пять, без четверти шесть и в половине седьмого вечера садилась она в ожидании у двери, а встретив одного из нас, успокаивалась до прихода следующего члена семьи.

Человеку почти не приходится пользоваться собственными биологическими часами. Но бывают ситуации, когда никаких часов, кроме биологических, у человека нет, а что-то нужно сделать в определенное время. Например, проснуться в заданный час, когда нет будильника и разбудить некому. И он просыпается вовремя.

Растения определяют время не хуже животных. Одноклеточные водоросли, например, светятся только перед заходом Солнца. А высшие растения в строго определенный час закрывают или открывают лепестки своих цветков. Начинается утро, и заработали цветочные часы. В четыре-пять часов утра распускаются цветки цикория, мака и шиповника, в семь часов распускается салат, в девять-десять часов — цветки мать-и-мачехи, а вечером начинают распускаться цветки ночных растений: в двадцать часов — душистого табака, в двадцать один час — ночной фиалки, а ряд растений только ночью раскрывает лепестки своих цветков. Другие виды растений выделяют запах или нектар в строго определенные часы, и пчелы об этом очень хорошо знают.

Теперь самый интересный вопрос: как же устроены живые часы и в каком органе они расположены?.

Ученые не установили* еще в организме структур, которые ответственны за жизненные ритмы, и тем более молекулярных изначальных структур, задающих первичные колебания в биологических часах. Есть только ряд гипотез, объясняющих устройство датчика времени. Суть одной из них сводится к следующему.

Механизм биологических часов невозможно рассмотреть ни в какой микроскоп, потому что «маятником» их может служить молекула белка. Такой маятник колеблется очень часто. Если бы удалось увеличить его через микроскоп до такой степени, чтобы молекула белка была видна, то, кроме ее расплывчатого контура, мы ничего бы не увидели. Молекула похожа на звучащую струну. В каждой клетке колеблется не один, а миллионы мельчайших маятников-молекул.

Однако колебания белковых молекул-маятников не надо путать с тепловым колебанием. Колебания, дающие ритм времени, связаны в основном с движением скручивания и раскручивания белковых молекул. Огромные белковые молекулы в живых клетках по своему строению напоминают сложные пружины, кою-рые раскручиваются и скручиваются в определенном ритме. Каждая цепочка, из которой состоит белковая пружина, несет на себе электрические заряды. Достаточно растянуть пружины, как эти заряды начнут вращаться, создавая магнитное поле с определенным расположением полюсов. А отпустишь ее — она сожмется, заряды и полюсы магнитного поля вернутся в исходное положение. Таким образом, уже при сжатии и растяжении белковой молекулы возникает переменное магнитное поле. Значит, если бы около такой пружины был постоянный магнит, он способствовал бы ее ритмическим колебаниям. Но ведь такие магниты в живой клетке есть! Это — атомы металлов, включенные в состав самой белковой молекулы, вернее, в особый центр. У них сильное постоянное магнитное поле. Вполне возможно, что комплекс белковых молекул, а может быть, специальные молекулы — хронодатчики переводят беспорядочные тепловые колебания в резонансные. Ведь такую белковую молекулу можно рассматривать как своеобразный колебательный контур, настроенный на определенную частоту.

Существует и Другая точка зрения на молекулярный механизм биологических часов. Ее придерживается, например, Чарлз Эрет, окончивший Парижский университет, но долгое время работающий после этого в Аргонской лаборатории при Комиссии по атомной энергии США. Эрет разработал концепцию «хронона», соответственно которой первичным маятником биологических часов служат ДНК, информационная РНК и связанные с ними реакции белкового синтеза. Последовательность этих реакций играет роль датчика ритмов в точном механизме отсчета времени, который в очень большом диапазоне не зависит от температуры.

Ни одной из высказанных точек зрения нельзя отдать предпочтения, пока экспериментально не будет выявлен источник первичных временных импульсов. Где он находится — в ядре или в цитоплазме клетки?

Группа американских ученых — Суини, Хэкео и Рихтер — решили проверить это на крупной водоросли ацетобулярии величиной до двух — четырех сантиметров, похожей на маленький зонтик. Всего одна клетка и ядро в ризоиде, которым водоросль прикреплена к субстрату; отрезал микроскальпелем ризоид — и клетка оказывается без ядра. Когда ядро у ацетобулярии удалили, то оказалось, что одна протоплазма способна поддерживать циркадный (околосуточный) ритм фотосинтеза в течение тридцати циклов. Так где же работают биологические часы — в протоплазме или в ядре? Ученые попробовали создать «синтетическую клетку», у которой ритм ядра и цитоплазмы расходился бы по фазе на двенадцать часов. Из живой клетки удалили собственное ядро, а подсадили другое, работающее по своим часам. Прошло немного времени, и клетка начала жить по. ритму ядра, следовательно, оно определяет ход биологических часов. Другое дело, какие молекулы задают первичный ритм — белки или нуклеиновые кислоты? Ответа на этот вопрос пока нет.

Нет пока еще единого мнения среди ученых относительно механизма, управляющего ходом биологических часов. Большинство ученых считают, что ходом биологических часов управляют механизмы, заложенные в самих живых клетках, а вот, по мнению американского профессора Ф. Брауна, наоборот, регуляторами биологического времени служат космическое излучение, магнитное поле Земли и само движение в космическом пространстве Солнца, Земли и Луны. Опыты свои он проводил в полной темноте на кусочках картофеля, вырезанных с глазком, и показал, что дыхание этих кусочков зависит и меняется главным образом от вышеперечисленных внешних факторов. Однако вернемся к нашим внутренним часам, ведь мы разобрали только, как работает их «маятник».

Как и у настоящих часов, где стрелки медленно ползут по циферблату, в часах, заключенных внутри нас, есть механизмы, выполняющие роль стрелок. Только в живых часах не три стрелки (если принимать во внимание и секундную), а значительно больше. Они показывают часовые, суточные, месячные, годовые ритмы, возможно, даже жизненные. А на уровне отдельных клеток минимальные временные ритмы, возможно, укорачиваются до тысячных долей секунды.

Как же эти короткие временные ритмы передаются дальше? Где же в биологических часах второе «колесико»? Его уже можно рассмотреть в микроскоп, оно не так мало, как «маятник» живых часов. Роль этого колесика, по-видимому, выполняет ядро клетки. Но у науки пока еще нет ответа, каким образом высокочастотные ритмы молекул-«маятников» переводятся ядром в циркадные, то есть околосуточные ритмы.

Часовым механизмом в ядре служит не генетический материал, а скорее всего ядерная оболочка. Когда исследователи хотели посмотреть, как работают часы у бактерий, они ничего не обнаружили. Никаких циркадных ритмов у бактерий не найдено. Вот тут-то биологи задумались: чем же отличаются бактерии от других организмов? Ответ как бы напрашивался сам собой — у бактерий нет оформленного ядра. Ядерный материал есть, но он не заключен в оболочку. Это, по существу, часы без стрелок.

Много еще в организме есть непонятных колеблющихся систем, о которых почти ничего не известно. Например, нейроны головного мозга окружены звездчатыми клетками, их называют астроглия. Так вот, эти клетки совершают одно колебание в четыре минуты. Зачем такой ритм, что он отмеряет, может быть, это маятник месячных, сезонных или годовых часов? Пока неизвестно.

О сезонных часах мы тоже почти ничего не знаем, кроме того, что они могут включать и выключать на определенный сезон работу отдельных генов. Так, всем хорошо известно, что многие животные впадают в зимнюю спячку. Когда биологи посмотрели, что же происходит в организме спящих животных, то оказалось, что многие функции у них, вплоть до клеточных, выключены. Спит организм, и спят его клетки. Причем как спят! Ничем не разбудить. Вот возьмем, например, лягушку. Каждую зиму она, зарывшись в ил какого-нибудь пруда, переживает тяжелые студеные времена. В это время ее клетки не делятся — они отключены. Проследим это на клетках хрусталика глаза. Переднюю часть линзы глаза покрывает тонкая пленочка, на которой расположен только один слой клеток. Если этот монослой снять, то можно, как в кожице лука, наблюдать за клетками и их делением.

Перейдем к эксперименту. Попробуем разбудить лягушку зимой. Лягушка хочет спать, постоянно опускается в воду. Но мы ее освещаем, переводим в теплое помещение, не даем ей спать. Через некоторое время лягушка просыпается. Сидит, смотрит, даже может тихо квакать, но что происходит с ее клетками? При рассматривании клеток под микроскопом обнаруживаем, что они спят. И будут спать до весны, пока их не включат сезонные часы и они не начнут делиться.

Да что там говорить о животных! Люди, создавшие вокруг себя искусственный микроклимат в зимнее время, не утеряли полностью ни сезонные, ни суточные ритмы. Можно даже сказать — человек находится во власти суточных ритмов. Более сорока физиологических процессов зависит у нас от биологических часов.

На протяжении суток у человека меняется температура. Самым «горячим» он бывает в восемнадцать часов, а самым «холодным» — между четырьмя и пятью часами. Колебания температуры составляют у разных людей от 0,6 до 1,3 X. Примерно в том же ритме меняется у человека частота сердечных сокращений и кровяное давление, но в тринадцать часов и в двадцать один час оно наиболее низкое.

Известно, что анализ крови делают утром. И это потому, что именно в эти часы кровоток наполняется молодыми эритроцитами, в крови максимум гемоглобина и сахара.

Даже физические нагрузки человек по-разному переносит в течение суток. Самым «сильным» человек бывает с восьми часов. И сохраняет физическую активность до двенадцати дня, затем следует перерыв, когда человек как бы слабеет, — с двенадцати до четырнадцати часов, а затем с четырнадцати до семнадцати часов к нему приходит новый прилив сил. Ночью — от двух до пяти часов — человек наиболее «слаб».

Ученым еще много предстоит работать, чтобы познать биологические ритмы у человека и животных, но некоторые уже за-думываются над тем, как их изменить.

 

Человек учится концентрировать и удлинять биологическое время

У некоторых индийских фокусников есть удивительный номер. Они берут зернышко лимонного дерева, сажают его в землю, и на глазах у изумленной публики вырастает дерево. Затем на дереве появляется зеленый плод, он желтеет. В естественных условиях для этого необходимо несколько лет на сцене происходит за считанные минуты.

Интересно, а нашли ли биологи концентраторы и ингибиторы времени для живых организмов? Ведь пока мы знаем одно — биологические часы очень трудно разладить колебаниями температуры, только сильное охлаждение может их остановить. Успехи управления живыми часами пока невелики. У некоторых животных можно «подвести» стрелки биологических часов. Вспомним таракана, который делает все не так, как ело сородичи, таракана охладили на двенадцать часов, а затем содержали при нормальной температуре. Его живые часы опять пошли, но стали отставать на полсуток, поэтому он ведет себя необычно в тараканьей семье — все делает с опозданием на двенадцать часов. Можно у того же таракана совсем разладить биологические часы. Достаточно его поместить в условия непрерывного освещения, и он забудет о суточной ритмике, хотя внутренние маятники его часов будут работать.

А вот еще интересный опыт. На этот раз с мелкими лабораторными мушками дрозофилами, вернее, с их развитием. Эти мушки из куколок выходят в предутренние часы, так сказать! с появлением первого солнечного луча. Часы своего развития дрозофилы сверяют с солнечными часами. Попробуем теперь поместить дрозофил в полную темноту. Часы, следящие за развитием, разлаживаются. Мухи начинают выходить из куколок в любое время суток. Однако достаточно секундной вспышки света, чтобы развитие синхронизировать. Вспышку света можно уменьшить даже до 0,005 секунды, и все равно синхронизирующее действие прояви ген. после эшго развитие идет синхронно, и выклев мушек из куколок происходит одномоментно.

Только резкое охлаждение — до О °С и ниже — влечет за собой остановку живых часов. Но это только остановка, стоит отогреть организм, как часы снова пойдут и будут отставать ровно на столько часов, на сколько их остановили. У птиц и млекопитающих, имеющих постоянную температуру тела, часы в норме идут почти в одинаковом темпе. А как быть рыбам, лягушкам и ящерицам — ведь у них не постоянная температура тела, а такая, как во внешней среде? Оказывается, и у этих существ, несмотря на резкие колебания температуры тела, часы идут с одинаковой скоростью.

Неужели только резкие охлаждения и вспышки света могут изменить ход биологических часов? Совсем нет. Существует целый ряд химических веществ, способных влиять на ход живых часов. Ученые установили, что вещества, задерживающие образование информационной РНК, например антибиотик актино-мицин-Д, влияют на ритмику фотосинтеза у водорослей. Спирт явно замедляет биологические часы, иногда суточные ритмы под его влиянием сдвигаются на пять часов. Сходно действуют папаверин и наркотин, правда, замедление ритмов от этих веществ не столь велико, как от спирта.

До этого разбирались только возможности остановки биологических часов ‘либо замедление их работы химическими веществами. А делали ли биологи обратный эксперимент — ускоряли биологическое время или концентрировали его? Может быть, сама природа уже поставила такой эксперимент, и существуют организмы, у которых сконцентрировано время?

Вот коловратка, микроскопическое, но многоклеточное существо. Некоторые виды коловраток живут всего одну‘неделю. За эту неделю у них проходит вся жизнь. Коловратка выводится из яйца, растет и старится, к старости у нее ухудшается зрение, на теле появляются морщины, откладывается жир, а быстрое плавание сменяется неторопливым ползанием. Все признаки старения, а ведь вся жизнь прошла за несколько дней. Коловратки микроскопически малы, размером в десятки микронов, но зато у них есть почти все органы, характерные для многоклеточных животных. Правда, каждый орган состоит всего из нескольких клеток. Глаз, например, из двух клеток: одна клетка — хрусталик, другая — сетчатка.

С какой же скоростью протекают жизненные процессы у коловратки — как у человека или в три тысячи раз быстрее? Именно на эту величину и отличается продолжительность жизней. Не исключено, что время у коловратки сконцентрировано по отношению к нам, людям.

Так как же можно сконцентрировать биологическое время, переместиться в микроскопический мир коловратки с его быстротечностью или же во много раз усилить биоритмику, заставить клетки* делиться быстрее обычного, но соблюдать при этом общую организацию организма?

Экспериментатору, какой бы прибор в его руках ни был, надо стремиться как можно меньше вмешиваться в живую систему и вводить в нее те или другие датчики. Если ввести в клетку электрод или просто приложить его к поверхности, то сигналы о биоритмах будут поступать не от нормальной, а от поврежденной клетки. Прав был Мефистофель у Гёте, высказавший мысль о заколдованном круге в изучении живого:

«Чтобы живое изучить, его сначала убивают, потом на части разрезают, но связи жизненной, увы, там не открыть».

Сама природа дала исследователю прибор, который позволяет следить за временем, протекающим в живой клетке, не внедряясь внутрь ее и сильно не нарушая взаимосвязи с другими структурами. Прибор этот — процесс деления самой клетки, или митоз. Он позволяет следить за жизненным циклом клетки, касаясь ее только световым лучом. Воздействие, конечно, есть, но оно минимально по сравнению с другими методами. Давайте посмотрим, как идет деление клетки у млекопитающих с самого начала развития.

На первый взгляд кажется несколько странным, что слон, человек, мышь и другие млекопитающие, так сильно различающиеся по размерам и по продолжительности жизни, первые шаги на жизненном пути проделывают с одинаковой скоростью.

У всех развитие начинается с одной клетки. Вот и сравним, как оно идет у слона и мыши. Слон живет около шестидесяти лет, а мышь — два-три года. Эмбриональное развитие у мыши составляет двадцать один день, а у слона жизнь до рождения длится шестьсот шестьдесят дней, почти два года. Первые стадии развития у них начинаются с одинаковой скоростью, а как по-разному заканчиваются: слоненок только рождается, а мышь к этому времени прожила почти всю свою жизнь. Может показаться, что биологическое время у мыши бежит быстрее, чем у слона, быстрее начинается деление клеток и развитие заканчивается раньше. Оказывается, это не так. И мышонок, и слоненок, если их на этой стадии можно так назвать, первые семь дней развиваются без связи с материнским организмом через плаценту, и скорость клеточных делений при этом у них одинаковая. Но для слона семь дней развития из шестисот шестидесяти дней почти ничего не значат, а для мыши — это треть всего развития в организме матери. Как надо сконцентрировать время, чтобы за оставшиеся две недели сформировался мышонок, способный жить самостоятельно, вне организма матери? Почему же в первую неделю развития биологическое время у зародышей мыши и слона идет с одинаковой скоростью?

Ученые выяснили этот вопрос. Оказалось, что в этот период у всех зародышей млекопитающих, за некоторым исключением, куда, возможно, попадает человек, биологические часы работают без генной регуляции. Настрой ритмам задают механизмы, полученные еще во время созревания яйцеклетки, а новая программа, сложившаяся после оплодотворения, молчит. Чтобы убедиться в этом, генетики и эмбриологи ставили различные опыты: ядро, где сосредоточен генетический аппарат, выжигали лазерным лучом, облучали смертельными дозами рентгеновских лучей или просто удаляли микрохирургическими инструментами. Однако деление оплодотворенной яйцеклетки не прекращалось и продолжалось до тех пор, пока «завод», полученный еще до слияния со сперматозоидом, не кончался. Но такой зародыш без ядер мог дать только массу клеток. Нужно было набрать эту массу клеток, из которых придется строить органы, а на эту операцию отводилось как бы сконцентрированное время. Операция проста, — дробление или деление клеток, и на нее расходуется весь «завод» пружины биологических часов.

Как только начинается органогенез (строительство органов), то снова заводится пружина биологических часов. Но теперь каждый «завод» делается с осторожностью и не до конца. Вся работа живых часов идет под контролем генетического аппарата. Чем сложнее становится организм по мере развития, тем с большей четкостью гены выдают информацию, следуя строгой временной программе развития. Организм начинает довлеть над клеточным временем и регулировать его. Для этой цели используются и нервная система, и гормоны. Биологическое время при такой сложнейшей регуляции все более и более замедляется и становится минимальным к моменту рождения.

Такое же замедление биологического времени по мере развития можно отметить и у других классов животных. Мне не раз приходилось делать микрохирургические операции на эмбрионах амфибий, и всякий раз в поле зрения возникает картина, поражающая воображение. Получается картина, сходная с тем, что была у факира, выращивающего лимонное дерево. У эмбриона, биологические часы которого еще слабо сдерживаются генетическим аппаратом и гормональными влияниями, раны зарастают прямо на глазах, поврежденная кожа тут же принимает прежний вид. Биологическое время на ранних стадиях развития по отношению к взрослому состоянию сконцентрировано.

А можно ли снять тормоз времени у взрослого организма и заставить его жить быстрее? Может быть, есть такие вещества, которые концентрируют биологическое время?

Вся опасность в этом случае заключается в нарушении биологических часов. Ускорение обмена веществ и деление клеток должны быть гармоничными по отношению ко всему организму, нельзя, чтобы какая-то часть или орган обгоняли по ритмике остальные части организма. Что получается при разлаживании живых часов — обсудим позже.

Существуют способы, позволяющие ускорить обмен веществ и ритмику внутриклеточных систем за счет использования резервов, которые клетки сохраняют на случай опасности. Значит, если дать сигнал опасности, то клетки частично снимут временной тормоз и колебательные процессы в организме пойдут с большей скоростью. Для этого необходимо воздействовать на те гены, которые регулируют скорость химических взаимодействий огромных биомолекул внутри клетки.

Как же можно подать клетке сигнал опасности? В процессе эволюции в клетках выработался механизм, воспринимающий продукты распада, которые получаются от страдающих по соседству клеток как сигнал опасности. Обычно молекулы, сигнализирующие об опасности, однотипны у разных организмов. Они образуются из биомолекул, в первую очередь распадающихся при вредном для организма воздействии. Получив сигнал опасности, биологические часы частично освобождают клетки от генной и гормональной опеки, и клеточные деления увеличиваются как у растений, так и у животных. Вот почему листья алоэ, находящиеся в холодильнике при 4 °C, содержат вещества, способные ускорить клеточные деления и обмен веществ у других организмов. Такие вещества, вырабатывающиеся в тканях животных и растений, подвергнутых неблагоприятному воздействию, назвали биогенными стимуляторами.

Возможно, что в скором времени управление биологическими часами в живых клетках приобретет важное практическое значение. Английская исследовательница Жаннет Харкер провела интересные опыты. Охлаждением она разлаживала биологические часы у тараканов: держала их в холодильнике двенадцать часов. Биологические часы таких тараканов отличались от биологических часов контрольных тараканов тоже на двенадцать часов. Далее Жаннет Харкер сделала сложнейшую микрохирургическую операцию — пересадила подглоточный ганглий (часть мозга таракана), ведающий скоростью живых часов, контрольному таракану. У этого таракана стало два центра, управляющих биологическим временем, но их работа различалась на двенадцать часов. Таракан совсем был сбит с толку, он не мог определить ночь и день, принимался есть, тут же засыпал, но через некоторое время другой ганглий будил его. В результате в кишечнике таракана развилась опухоль, от которой он погиб. Повторные опыты приводили к тем же результатам — разлаживание биологических часов приводило к развитию злокачественных опухолей. Можно ли распространить сделанный вывод на высших животных и человека? Конечно, нет. Нужны тщательные исследования этого вопроса.