Виктор Ягодинский
Часы внутри нас
Отечественные ученые внесли большой вклад в хронобиологию. Академик А. Н. Бах и профессор Д. А. Сабинин стояли у колыбели исследований внутриклеточных ритмов. Академик И. П. Павлов открыл условные реакции на время и показал их роль в формировании биологического ритма.
Вот результаты последних опытов советского хронобиолога М. М. Атаева. Моллюск получает через каждые пять минут удары слабым электротоком. На некоторое время он скрывается в раковине, но затем продолжает движение. Прекратим воздействие тока. Однако ровно через пять минут улитка снова скрывается в своей раковине. Как от электроудара! Это не условный рефлекс. Нет! В простейшем организме, видимо, существует система отсчета времени, своеобразные часы, пригодные для ориентации и изменения поведения в зависимости от внешних раздражителей.
Или другой, более сложный опыт. Воздействуем тем же электрополем на мозг кошки. На энцефалограмме обнаружится своеобразная картина. Животное поспешит уйти из сферы действия электротока, для чего ему нужно нажать на педаль, открывавшую дверцу. Ровно тридцать секунд — ни секундой менее или более, иначе дверь не откроется. Животное быстро ориентируется в задании и выбирает необходимый интервал времени. Дверь открывается!
Это показывает, что ритмы самого различного масштаба и разной сложности могут формироваться повседневно под влиянием внешних раздражителей.
Действительно, свойство ритма у животных может быть приобретено в результате обучения, которое начинается с момента рождения: новорожденный как бы «запечатлевает» те или иные временные последовательности и далее оперирует ими всю жизнь. Это подобно тому, как только что вылупившиеся в инкубаторе утята или гусята начинают считать своей матерью кормившего их человека, не обращая внимания на присутствующих здесь же взрослых своих сородичей. Может быть, и некоторые биоритмы «запускаются» еще с первых суток жизни, когда ребенок постепенно закрепляет ритмы питания, сна, физической активности.
Но внутренние часы не смогли бы достигнуть большой точности и универсальности у разных особей только в результате обучения. Предполагается, что внутренний биохронометр «вмонтирован» в клетки живого организма задолго до его рождения, он запрограммирован природой. По мнению советского физиолога Н. А. Аладжаловой, источник колебаний — регуляторные процессы как на макромолекулярном и клеточном уровнях, так и на уровне ансамблей клеток и далее — на уровне взаимодействия живых систем.
Согласно этой концепции в образовании биоритмов непосредственное участие принимают клеточные мембраны, периодически меняющие потоки ионов в клетку. Изменения ионного градиента переводят мембрану из пассивного состояния в активное. Периодические колебания концентрации ионов вызывают скачкообразные изменения состояния мембраны.
Мембранная гипотеза биологических часов, по данным мировой литературы, обобщенной советским биоритмологом С. А. Чепурновым, наиболее обоснована и тесно связана с генезом физиологических ритмов, с биохимическими процессами, обеспечивающими ионный транспорт.
Исследователь приводит очень интересные в этом отношении данные. У большинства низших позвоночных эпифиз остается связанным с мозгом в процессе эмбриогенеза и содержит клетки, сходные с фоторецепторами, то есть чувствительными к свету образованиями. Клетки эпифиза амфибий реагируют на изменение внешней освещенности. Но оказывается, что такая фоторецепция присуща и птицам. Например, если ослепить попугаев, то их циркадный ритм уже не будет совпадать с периодами освещенности и затемнения. Однако после выщипывания перьев на голове, то есть увеличения светового потока, поступающего через кожу головы и череп к тканям мозга, ритм сразу же восстанавливался. Введение туши под кожу головы птицам приводило к исчезновению синхронности циркадного ритма. Таким образом, доказано прямое действие света на эпифиз. Следовательно, эпифиз трансформирует световую ритмику и подчиняет ей весь организм благодаря своей эндокринной функции.
У млекопитающих в процессе эмбриогенеза эпифиз теряет анатомическую связь с мозгом (за исключением стебля), и его фоторецептирующие свойства исчезают. Сигналы об освещенности организма эпифиз высших позвоночных животных получает от сетчатки глаза. Эта железа выделяет физиологически активные вещества — мелатонин, серотонин, норадреналин; их накопление в эпифизе и выделение зависят от освещенности.
Именно днем или при освещении происходит освобождение серотонина из депо. На суточные колебания серотонина в эпифизе оказывают влияние также стрессовые воздействия, но наибольшая роль в регуляции его уровня все же принадлежит световому периодизму.
Таким образом, центральные звенья временной структуры позвоночных нервная и эндрокринная системы. Они основа биологических часов организма в целом. Благодаря нейроэндокринным воздействиям осуществляется модификация и интеграция клеточных ритмов и тем самым обеспечивается их взаимодействие, целостное функционирование организма, его адаптация к изменяющимся условиям внешней среды. Суточный ритм является основной временной единицей работы живого организма. Ритмикой определенных гормональных изменений можно объяснить также околомесячные — лунные и сезонные циклы.
При этом временные и пространственные стороны жизни настолько взаимосвязаны, что разделить их в биоритмологии не удается, и мы только условно говорим о временной динамике, подразумевая, что развитие процесса одновременно совершается и в пространстве. Как периодические волны моря оставляют на зыбком песке свой четкий след, так и на раковинах моллюска навсегда запечатляются резкие полосы — следствие его жизненных циклов.
Годичные кольца встречаются на деревьях, рогах животных, скелетах карбонатных водорослей и даже на чешуе рыб. А на некоторых ископаемых объектах обнаруживаются не только годовые, но даже и суточные циклы. Так, на морщинистом известковом покрове — эпитеке кораллов можно найти и просчитать своеобразные гребни или «струйки», число которых точно соответствует числу дней в году. Это позволило с величайшей точностью установить, что в кембрийском периоде год содержал не 365, как сейчас, а более 400 дней, в девонском он был равен 396, в каменноугольном и пермском 393 — 385, в юрском — 377 дней. Рассчитано, что длительность суток в девонскую эпоху была около 21 часа, а затем из-за замедления движения Земли (в основном лунным влиянием) достигла сегодняшней продолжительности в 24 часа.
Как видим, за природными сдвигами зорко следят живые организмы, сообразуя с ними свою ритмику — как многолетнюю, так и суточную. Очевидно, это и привело в процессе эволюции к выработке соответствующей цикличности биологических процессов.
Но каковы же глубинные механизмы образования ритмов биосферы? Оказалось, что у животных, растений и одноклеточных организмов существует весьма совершенный способ измерения времени, основанный на циклическом течении жизненных процессов. Причем в основе измерения времени лежат не одиночные импульсные «подсказки» со стороны внешних факторов (хотя и это влияет на ход биологических часов), а цепные процессы. Центральным звеном в этих процессах является упорядоченность химических реакций. Предполагается, что солнечный свет — смена дня и ночи — способствовал эволюции биоритмов за счет фотосинтетических, фотохимических процессов. Такую же роль могли играть и морские приливы-отливы. Вероятно, возникновение жизни было бы невозможно без формирования в простейших биологических системах колебательных химических и других процессов с их упорядоченностью времени. Биоритмы разной периодичности способствуют регуляции функций организма. Их наличие создает возможности приспособления к множеству циклических изменений во внешней среде, то есть позволяет организму легче адаптироваться к среде. Химический механизм может быть наиболее вероятной основой организации чувства времени, то есть речь идет не о физическом, как мы привыкли считать, глядя на маятник часов, а о химическом метрономе.
Какие же конкретные химические процессы обеспечивают ход наших внутренних часов?
За тысячелетия цивилизации человечество изобрело множество счетчиков времени. Сегодня в службе времени предпочтение отдается атомным часам, которые отстают не более чем на одну секунду за три тысячи лет. Это время продиктовано молекулами и атомами. То есть ритм движения времени в природе связан с самой основой существования материи — атомом. А нет ли чего подобного и в основе биологических часов?
Оказывается, еще в IX веке существовали хронометры, которые состояли из двух спирально перевитых кусков каната, пропитанных пчелиным воском и свечным салом. Эти куски горели с постоянной скоростью, так что на сжигание определенной их части уходило практически одно и то же время. Соответствующая разметка позволяла довольно точно различить отрезки времени в 20 минут.
