Архив рубрики «Где могут находиться часы?»
Мембранная модель часов
Гораздо более правдоподобное объяснение всего круга явлений дает теория, основанная на изучении механизма движения растений, согласно которой биологические часы локализуются на клеточной мембране.
Обратная связь, которую мы в общих чертах описали на примере биохимических реакций, в этой модели осуществляется между элементами мембраны, выполняющими транспорт ионов, и градиентами концентрации ионов.
Возможная роль ДНК
После того как в синтезе белков была установлена роль ДНК, нуклеиновые кислоты приобрели необычайную популярность и их начали кстати и некстати привлекать к объяснению многих нерешенных биологических проблем. Не удивительно, что некоторые исследователи стали связывать с ДНК не только память животных, но и ключевые проблемы биологических часов.
Обмен веществ
Как показали наблюдения, скорости многих биохимических реакций испытывают правильные периодические колебания. В частности, это относится к расщеплению Сахаров дрожжевыми грибами. Если грибы посеять на жидкую питательную среду, содержащую 2% глюкозы, а затем поместить их в анаэробные условия, то концентрация восстановленного кофермента NADH, характеризующего сгорание сахара, будет совершать колебания с периодом 33 секунды. Эти колебания не затухают. Более того, после не-мнорого спада вначале их амин и гуда даже несколько возражает. Если приготовить из дрожжевых клеток вытяжку и добавить к ней олигосахарид, известный под названием тре-i алоза, то колебания будут сохраняться на протяжении нескольких часов. В одном из подобных экспериментов ритмические колебания концентрации NADH наблюдались почти 9 часов с периодом, обычно составлявшим около 7 минут, то есть значительно превосходившим период колебаний в живой клетке. Добавляя к экстракту аккумулятор энергии - аденозинтрифосфат, можно изменять фазу колебаний в зависимости от того, в какой точке кривой фазового отклика произведена добавка. Таким образом, колебания концентрации NADH во многом сходны с биологическим ритмом, но отличаются более коротким периодом, в значительной степени зависят от температуры и не обладают способностью приспосабливаться к циклу свет-темнота.
Представления о механизме часов
Многочисленные попытки уточнить местонахождение центральных часов и составить хотя бы приблизительный перечень способов, какими они воздействуют на регулируемые процессы, не позволили нам приблизиться к пониманию механизма биологических часов, действующего, судя по общим признакам, на клеточном уровне. Относительно механизма биологических часов мы располагаем только представлениями или гипотезами, способными объяснить лишь более или менее широкий круг фактов в зависимости от того, какую модель изучаемого явления удалось построить исследователю.
Регуляция циклов у млекопитающих
В последние годы исследователи вплотную подошли к установлению местонахождения и механизмов действия центральных часов у млекопитающих. Разумеется, работать с крупными животными гораздо труднее, чем с насекомыми, поскольку в организме позвоночных одновременно протекает очень много ритмических процессов, между которыми к тому же существуют сложные взаимосвязи. Весьма трудно, а зачастую и просто невозможно установить «субординацию» между отдельными ритмическими процессами, точно выяснить, какие циклы связаны с биологическими часами, а какие лишь отражают какой-то другой ритмический процесс. Положение облегчается тем, что центральная система регуляции у млекопитающих изучается давно и основательно, и все же в механизме согласования часов, «тикающих» в отдельных органах и тканях, еще остается много неясного.
Регуляция ритмов у насекомых
Логично предположить, что центральные часы должны располагаться в таком месте, куда особенно легко попадает самый сильный из синхронизирующих факторов - свет.
В конце пятидесятых годов появилась надежда, что центральные часы удалось найти - по крайней мере у таракана. Эти насекомые обрели в современном жилище человека великолепную среду обитания. Пик их двигательной активности приходится на ночное время суток. С наступлением темноты они вылезают из мусорных свалок и, двигаясь по водопроводным и сточным трубам, проникают в квартиры, хозяева которых еще накануне гордо отказывались от услуг дезинфекторов.
Центральные часы животных
Следуя дальше в поисках местонахождения часов, можно было бы разделить на части клетку, но такое дробление не имеет смысла. Если биологические часы умолкнут при разрушении какого-то крошечного органа клетки, то нам было бы трудно решить, поврежден ли основной механизм, измеряющий время, или остановлен один из промежуточных процессов, управляющих наблюдаемым ритмом, то есть ось, на которой сидят стрелки. Можно считать доказанным, что механизм, поиском которого мы занимаемся, находится в клетке, поэтому многоклеточные организмы располагают множеством часов. Ясно и то, что их ход необходимо согласовывать. У растений эту функцию, по-видимому, обеспечивают в первую очередь внешние синхронизирующие воздействия. Но у животных (по крайней мере у крупных), у которых регуляцию различных физиологических процессов осуществляют нервная и гормональная системы, аналогичную функцию, скорее всего, выполняют биологические ритмы. Следовательно, должны существовать какие-то центральные часы, которым при нормальных условиях подчиняются колебания всех ритмических процессов, идущих в органах, тканях и клетках организма. Эти «детали» организма сохраняют функцию часов, которая может проявиться, либо когда они удалены из организма, либо когда при постоянных условиях отсутствие внешних синхронизирующих факторов нарушает центральную регуляцию. Если происходит такая десинхронизация, то периоды отдельных ритмических процессов становятся независимыми.
Попытки локализовать внутренние часы
Разногласия между сторонниками двух лагерей легко можно было бы уладить, если бы удалось установить, где находятся внутренние часы, и разгадать механизм их действия. Для этого следовало прежде всего попытаться выделить ритмично функционирующие органы, а затем, расчленяя их, искать местонахождение биологических часов.
Точные «суточные» биологические часы и неточные ритмы
Прежде чем мы начнем обсуждение теории внешних часов, давайте рассмотрим, как она объясняет возникновение циркадного периода. Со многих точек зрения эта теория более правдоподобна, чем предположение о том, что биологические часы с периодом, обычно исходно отличающимся от 24-часового, должны устанавливать продолжительность периода соответственно циклам окружающей среды.
Исследования
Исследования проводились в два этапа: какой-нибудь процесс, например поворот ресничного червя в сторону от света, наблюдался сначала в нормальных условиях, а затем при включении слабого искусственного магнитного поля. Если результаты двух наблюдений отличались, то это означало, что подопытное животное ощущает магнитное поле.
Трудно устранимые воздействия окружающей среды
Теорией, исходящей из предположения о существовании источника основных колебаний во внешнем мире, по-видимому, удается объяснить едва ли не все явления. Согласно этой теории, биологические часы не имеют собственного автономного механизма, задающего ритм, и протеканием циклов управляют внешние сигналы. Период внешнего цикла всегда в точности равен 24 часам, поскольку именно в таком ритме изменяются условия в окружающей среде. Лунно-суточные ритмы объясняются либо тем, что существуют особые часы, обладающие такой периодичностью (которая действительно наблюдается в сигналах, поступающих из окружающей среды), либо тем, что приливные ритмы регулируются часами, имеющими суточный период, через «зубчатую передачу» с соответствующим передаточным числом. Воспринимаемые нами циклические процессы - не более чем «стрелки» часов, циркадные периоды которых обусловлены действием системы, регулирующей фазу. В этой связи возникают два вопроса: какие внешние сигналы при постоянных условиях сказываются лишь на временных признаках и как они, вызывая сдвиг фазы, формируют циркадный ритм?
Теория внутренних часов
Более проблематична теория внутренних часов. Если их собственный, внутренний период не равен 24 часам, а чуть меньше или чуть больше суток, то при нормальных условиях часы необходимо ежесуточно подводить. Известно, однако, что при дальних путешествиях и экспериментально создаваемых сдвигах ритма возникают неприятные субъективные ощущения, поскольку нарушается согласованность ритмических процессов, протекающих с различными скоростями.
Теория внешних и внутренних часов
Мы уже упоминали о двух различных представлениях о регуляции ритмических процессов; каждое из них пытается представить объяснение этому явлению, все еще продолжающему вызывать споры.
Сторонники теории внешних часов отрицают существование самостоятельных внутренних колебаний и утверждают, что периодическая информация поступает извне, а роль биологических часов сводится лишь к тому, чтобы воспринять эту информацию и передать ее дальше. Иначе говоря, сторонники внешней теории уподобляют биологические часы солнечным.