Синхронизирующие раздражители, связанные с приливами и отливами
Сколько бы ни было часов, ясно, что решающую роль в задании фаз играют факторы, каким-то образом зависящие от приливных колебаний уровня моря. В принципе можно представить себе, что синхронизирующее влияние оказывает суточный ритм, но тогда система была бы слишком жесткой и не могла бы гибко приспосабливаться к местным условиям. Действительно, разность фаз между ритмом свет - темнота и приливным ритмом не только увеличивается ежесуточно на 50 минут, но и подвержена сильным вариациям в зависимости от рельефа отдельных участков морского дна. Высота над уровнем моря тех мест, где находятся животные, зависит от того, когда наступает прилив. Животные, переселенные в места с иным расписанием приливов и отливов, быстро приспосабливаются к местным условиям, а животные, вообще не знакомые с колебаниями уровня моря, переселившись на побережье, вскоре привыкают к новому режиму.
«Пьяные грызуны»
При изучении действия токсичных веществ на живые организмы объектами исследования чаще всего были мыши и крысы. Как и во всех экспериментах на животных, самая большая трудность состоит в перенесении полученных результатов на человеческий организм. Грызуны ведут ночной образ жизни, поэтому их суточный цикл сдвинут по фазе на 12 часов по отношению к суточному циклу человека. Следовательно, если мы хотим применить в лечебной практике результаты, полученные в экспериментах на мышах и крысах, то кривые чувствительности также надлежит сдвинуть на 12 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.
Сколько же часов существует в организме: одни или несколько?
Морякам и рыбакам давно известно такое явление, как свечение морской воды, вспыхивающей мириадами ярких точек. Поначалу ученые предположили, что свечение вызывает фосфор, испускающий свет при окислении, и само явление получило название «фосфоресценция». Но в 1753 году было установлено, что свет испускают крохотные организмы, и явление переименовали в биолюминесценцию. Светящиеся организмы можно заставить испускать свет под действием самых различных механических раздражителей (удара волн от погруженного в воду весла, от вращающегося судового винта, от рыбьей стаи и т. д.). Рыбаки нередко замечают стаю сардин по изменению биолюминесценции.
Годичные ритмы внутренней регуляции
Механизм приспособления к годичному интервалу времени настолько прост и логичен, что вряд ли можно было бы его придумать лучше. Будучи приспособленным к определенной длине светового дня, организм может легко выделить этот момент времени в течение года. Следовательно, организм может заранее ощутить ожидаемые сезонные изменения погоды и приспособиться к ним. Кроме того, организм может использовать для измерения времени часы с 24-часовым циклом, полезные для других целей, поэтому необходимость в полностью независимом механизме отпадает. Существуют, однако, и такие организмы, которые не могут использовать наглядный и простой механизм фотопериодизма, и такие, у которых, несмотря на
Внешне-внутренние ритмы
Речь пойдет в первую очередь о внешне-внутренних ритмах. Они всегда следуют циклическим изменениям какого-либо внешнего фактора, но сохраняются после прекращения его изменений, и в то же время их период весьма устойчив к внешним воздействиям (повышению или понижению температуры, ядам и т. д.). Прежде чем мы подробно познакомимся со свойствами биологических ритмов и их практическим использованием, рассмотрим вкратце основные понятия, необходимые для их понимания.
Язык танца пчел
И снова возникает вопрос: каким образом пчелы находят то место, где установлена кормушка? Оказывается, для передачи необходимой информации пчелы пользуются необычайно интересным языком знаков, или языком танца. За это открытие немецкий физиолог Карл фон Фриш получил в 1973 году Нобелевскую премию. Экспериментаторы расставили вокруг улья 8 кормушек и в одну из них поместили сахарный сироп. В стенке улья прорезали небольшое отверстие, закрыли его стеклом и принялись наблюдать за поведением пчел.
Алкоголь
Из токсичных химических веществ хорошо известны суточные колебания в воздействии алкоголя на организм человека.
После всасывания алкоголь кровотоком разносится по всему телу и нередко приводит к слабому отравлению первой сигнальной системы. (Собственно говоря, ради вызы-
Биологические часы в роли «сторожа у ворот»
Действие биологических часов проявляется не только в изменениях ритмов различных физиологических процессов. Адаптация может осуществляться и по отношению к однократным событиям или событиям, происходящим всего несколько раз на протяжении жизни организма. Регулирующее действие в подобных случаях состоит в том, что «ворота» открываются только в определенное время суток: тому или иному событию предоставлено совершенно определенное время. А вот произойдет ли оно при открытых «воротах», зависит от внутренних условий протекания процесса, того, насколько организм созрел для этого, и прочих факторов. Если соответствующее состояние достигается вскоре после истечения благоприятного периода (когда «ворота» уже закрыты), событие может произойти не раньше, чем «ворота» откроются в очередной раз. Пожалуй, лучшим примером, наглядно демонстрирующим биологические часы в роли «сторожа у ворот», служит выплод мушки Drosophila. В переводе с греческого это название означает «любящая росу». Плодовые мушки получили его потому, что при содержании в нормальных условиях взрослая особь выходит из куколки всегда в одно и то же время-на заре, когда выпадает роса и воздух влажен. Хитиновая оболочка едва вылупившегося насекомого, тонкая и мягкая, не может служить защитой от испарения. В сухом жарком воздухе плодовые мушки высохли и погибли бы.
Чувствительность к внешним воздействиям
На протяжении суток наш организм может испытывать на себе какие-либо внешние воздействия, причиняющие тот или иной ущерб. Разумеется, наблюдения такого рода над людьми проводятся лишь в исключительных случаях. Однако имеющиеся данные позволяют утверждать, что чувствительность нашего организма подвержена циклическим изменениям, и поэтому особое внимание необходимо обратить на действие различных токсичных веществ, к числу которых нередко относятся и прописываемые врачами в лечебных целях.
Связь с другими суточными ритмами
Каким образом 24-часовой ритм фотопериодической чувствительности связан с остальными суточными ритмами? Управляют ли всеми суточными ритмами различные часы или они связаны независимыми «передачами» с одними и теми же центральными часами? Соотношения фаз не позволяют нам сделать какие-либо выводы о существовании центральных часов, управляющих всеми процессами. Например, у водорослей Gonyaulax наблюдаются 4 различных суточных ритма, возможно связанных с одними часами. Тем не менее фазы этих ритмов не совпадают. Сомнения разрешились бы, если бы удалось показать, что какое-нибудь внешнее воздействие в одинаковой мере изменяет периоды или фазы хотя бы двух ритмов.
Нечувствительность к температуре окружающей среды
Подобно тому как биологические ритмы не чувствительны к ядам и другим химическим веществам, частота их колебаний остается неизменной при продолжительном повышении или понижении температуры окружающей среды. Наоборот, кратковременное охлаждение или нагревание в зависимости от того, в какой момент оно происходит, вызывает сдвиг фазы вперед или назад.
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.