Живые часы

Предисловие

Биологические часы представляют, вероятно, одну из самых интригующих тайн современной биологии.

Прошло более семи лет с тех пор, как я увлекся проблемой биологических часов и заинтересовался деятельностью ученых, работающих в этой области. За несколько больший период времени наука коренным образом переменила свой взгляд на ритмы, с помощью которых живые организмы могут измерять время. То, что было когда-то просто интересным разделом естествознания, превращается в одну из кардинальных проблем современной биологии.

Весной 1960 года в Колд-Спринг-Харборе состоялся Международный симпозиум по биологическим часам, на котором впервые ученые, представляющие самые разные направления в биологии, смогли обменяться мнениями по проблемам биоритмологии. Мысль о том, что все организмы — от одноклеточных растений до человека — обладают, а может быть, даже являются живыми часами, произвела глубокое впечатление на ученых.

Читателю-неспециалисту, конечно, ничего не было известно о далеко идущих последствиях этой идеи. Биологи, которые писали о биоритмологии, пользовались весьма специфическим языком. И нет ничего удивительного в том, что между знаниями образованного человека и важнейшими открытиями в этой области существует некоторый разрыв. Я попытался рассказать о живых часах читателям, которые не имеют специального научного образования, и мне хотелось бы надеяться, что книга им понравится.

Область эта настолько широка, что мне пришлось сильно ограничить выбор объектов исследования и личностей, о которых можно было бы рассказать.

Несомненно, что книга такого рода не могла бы появиться без помощи многих людей и прежде всего ученых, которые отвечали на мои бесконечные вопросы, объясняли и демонстрировали свои методы исследований и оборудование лабораторий, великодушно вели со мной длительную переписку.

Р. Р. У.

1. Ритмы жизни

…Научное мышление в биологии должно складываться на основе представлений о периодической изменчивости.

Расцвет современных естественных наук, начавшийся с опровержения Галилеем аристотелевой физики, ознаменовался бурным развитием науки. Гигантские рывки были вызваны либо революционностью новых теорий, либо появлением новых методов исследования.

В области физики огромный скачок был сделан в первой половине XX столетия. Бурную активность исследователей вызвало знаменитое уравнение Эйнштейна, которое показало, что при превращении массы в энергию количество высвобождающейся энергии пропорционально квадрату скорости света. Эта концепция не только стимулировала поток новых экспериментальных работ в области физики, но со временем привела к появлению новой техники, которой было предназначено ускорить научно-технический прогресс. Наряду с уравнением Эйнштейна большую роль в развитии новых методов в физике сыграло открытие рентгеновских, или Х-лучей.

В наши дни ни у кого не вызывает сомнения, что вторая половина XX столетия принесет громадные успехи в области биологии. В 1953 году Дж. Уотсон и Ф. Крик сформулировали теорию строения молекулы ДНК, которая объяснила, каким образом воспроизводит себя ген — носитель наследственности в живых организмах. Эта концепция открыла дорогу новым экспериментам в биологии и явилась для исследователей ключом к более полному и глубокому пониманию процессов жизни. В настоящее время физиологи, биохимики, биофизики и бионики изучают причины появления наследственных аномалий, а также причины старения, злокачественного перерождения тканей и психических заболеваний. Понимание механизмов нарушения основных жизненных процессов приблизит человечество к исцелению от этих тяжелых недугов.

Примерно в то же время, когда в Кембриджском университете Дж. Уотсон и Ф. Крик разрабатывали структуру молекулы ДНК, Г. Крамер в институте Макса Планка изучал способность птиц к навигации. Серией блестящих экспериментов он показал, что свойственная птицам необыкновенная точность направленного полета зависит от их способности ориентироваться по Солнцу. И, что еще более важно, он обнаружил, что поведение птиц очень напоминает действия штурмана, пользующегося секстантом и хронометром. Птицы делают поправку на постоянное перемещение Солнца, сверяясь с каким-то своим внутренним механизмом, который можно сравнить с часами. После работ Крамера термин «биологические часы» стал общепринятым.

Бесчисленные наблюдения, свидетельствовавшие о том, что растениям и животным свойственна ритмическая активность, четко связанная со временем, накапливались веками. Но все это считалось не более чем просто интересным явлением живой природы. Гипотеза о наличии у живых организмов «биологических часов» послужила тем самым интеллектуальным толчком, который стимулировал плодотворные экспериментальные исследования во многих областях биологии.

Издавна было известно, что растения и животные обнаруживают периодически повторяющуюся активность. Ежесуточный цикл сна — бодрствования у человека, животных и некоторых растений очевиден. Столь же очевидны и месячные циклы, особенно те, которые связаны с лунным месяцем. Новая концепция вызвала необходимость в новых наблюдениях и их тщательном сопоставлении с уже имевшимися данными. Было установлено, что периоды повторяющейся активности живых организмов колеблются в очень широком диапазоне. Некоторые из таких периодов приближаются к тысячной доле секунды, тогда как другие составляют секунду или целый час. Наиболее широко изучаются ритмы, период которых приближается к 24 часам. Существуют также недельные и месячные ритмы, а у некоторых организмов определенные явления повторяются через каждые семь и даже семнадцать лет.

Рис. 1. Активность обычной золотой рыбки имеет выраженный суточный ритм, который сохраняется при неизменных условиях. Дж. Шиманский показал это еще в 1914 году.

Если организму жизненно необходимо повторять некое явление каждую тысячную долю секунды или один раз в семнадцать лет, то, надо думать, такая система должна быть обеспечена какими-то средствами для измерения проходящего времени. Только в этом случае она сможет эффективно функционировать. Ну а если растения и животные действительно содержат в себе некий часовой механизм, возникает целый ряд вопросов. В каком месте организма находятся эти «часы»? Как они работают? Помогает ли этот механизм в борьбе за существование, и если помогает, то каким образом?

В поисках ответов на эти вопросы биологи пришли к неожиданному открытию. Оказалось, что реакция организма на внешний раздражитель решающим образом зависит от той фазы ритмического цикла, в которой организм находится в данный момент. Ранее все наблюдения за естественными процессами, все тщательно спланированные лабораторные эксперименты выполнялись без учета этого обстоятельства.

В. Вольф, сотрудник Нью-йоркского университета, в своей работе, посвященной исследованию ритмических функций в живых системах (1962), писал, что периодические изменения в системе могут быть чрезвычайно серьезными. Действие одного и того же агента в одной фазе периодического цикла может быть благоприятным, в другой фазе того же цикла — губительным. Не исключено, что в свете гипотезы о биологических ритмах некоторые из полученных до последнего времени данных могут приобрести совершенно иное значение. С признанием ритмичности функционирования организмов многие до сих пор необъяснимые, едва заметные или значительные отклонения в действии фармацевтических, физиологических, химических агентов или агентов, влияющих на психику человека, станут, вероятно, более понятными. Весьма возможно, что какую-то часть имеющихся данных придется заново пересмотреть или отвергнуть вовсе, если принять во внимание все нормальные и аномальные вариации в ритмике биологических процессов. Подтверждением тому служат, например, наблюдения хирургов-отоларингологов из Таллахасси (штат Флорида), которые обнаружили, что послеоперационных кровотечений во второй четверти лунного месяца на 82 % больше, нежели в другое время.