Живые часы

Однако современные биологи резко расходятся во взглядах на природу биологических часов. Признанный авторитет в этой области, Дж. Л. Клаудсли-Томпсон называет три устоявшиеся точки зрения по этому вопросу:

1) биологические ритмы приобретаются в результате обучения;

2) биологические ритмы являются врожденными;

3) биологические ритмы связаны с реакцией организма на раздражители космического происхождения.

Каждая из этих гипотез имеет ярых приверженцев, но никто из них не располагает пока достаточными доказательствами своей правоты. Весьма возможно, что истина лежит где-то посредине.

Сегодня страсти еще бушуют, и, чтобы проследить историю становления новой науки, нам придется посетить различного рода лаборатории и научные учреждения, возглавляемые лидерами противостоящих лагерей. Но прежде необходимо, хотя бы кратко, ознакомиться с историческими предпосылками нынешнего столкновения идей. Рассмотрим поочередно каждый из трех вариантов возможного происхождения биологических ритмов, о которых говорит Клаудсли-Томпсон.

Сторонник первого направления В. X. Торп полагает, что чувство времени у животных может быть приобретенным в результате обучения, которое происходит подобно «запечатлению»: сразу же после рождения животное усваивает какой-либо навык и сохраняет его на всю жизнь. Впервые явление запечатления было обнаружено у новорожденных гусят, которые имели контакт только с кормившим их человеком. За несколько часов гусята усваивали, что человек является их родителем, и это так прочно запечатлевалось в их памяти, что они явно пренебрегали обществом других гусей и чувствовали себя спокойно лишь в присутствии человека. По мнению Торпа, биологические ритмы могут быть запущены самыми ранними впечатлениями молодого животного от суточного цикла и продолжают действовать в течение всей его жизни. Как ни странно, это предположение не вызвало большого интереса у биологов и не получило сколько-нибудь значительного отклика в научных публикациях.

Сам Клаудсли-Томпсон принадлежит к числу тех, кто полагает, что биологические часы являются врожденными. Сторонники этой теории выдвигают в ее пользу несколько аргументов. Один из них сводится к тому, что внутренние часы могли достигнуть высокой точности лишь в процессе естественного отбора: животные, часы которых спешили или отставали, имели меньше шансов выжить. Второй аргумент состоит в том, что живые часы, подобно снабженному компенсатором хронометру, сохраняют точность, несмотря на колебания температуры. Поскольку работой таких часов управляют скорее всего биохимические реакции, скорость которых возрастает с повышением температуры, должен существовать какой-то компенсирующий изменения температуры механизм, который мог возникнуть и закрепиться лишь в ходе естественного отбора.

Против врожденности первичного часового механизма резко и определенно возражает Ф. Браун, профессор биологии Северо-западного университета (США). Браун и его многочисленные сотрудники, уже более трех десятилетий изучающие ритмы животных и растений, убеждены в том, что главным началом, синхронизирующим все живые часы, являются потоки каких-то сил космического происхождения. Интенсивность этих потоков связана с фазами Луны и циклами солнечных пятен. Ритмические изменения этих сил имеют и часовой, и суточный, и месячный, и годовой периоды. Эти ритмы в свою очередь влияют на интенсивность многих других сил, непосредственно воздействующих на Землю. К таким силам относятся атмосферное давление, магнитное поле Земли, ионизация атмосферы, космические лучи и слабые электромагнитные поля различных радиоволн. Все эти воздействия настолько слабы, что кажется маловероятным, чтобы какой-то живой организм мог воспринимать изменения их интенсивности. И в то же время, если бы человек так же тонко чувствовал магнитное поле Земли, как чувствует его улитка Nassarius obsoleta, он мог бы обходиться без компаса в самом дремучем лесу, Браун писал: «В настоящее время доказано, что живые организмы действительно чрезвычайно чувствительны к очень слабым постоянным электрическим и магнитным полям, а возможно, и к слабым электромагнитным полям различных радиоволн. Такая чувствительность достаточна для восприятия естественных полей Земли».

По мнению Брауна, организмы располагают совершенно независимыми системами для определения времени по природным геофизическим периодам. «Все наши современные знания великолепно укладываются в рациональную схему работы биологических часов, которые зависят от постоянного ответа организма на едва уловимые геофизические раздражители окружающей среды».

Дж. Харкер, чья блестящая работа в Кембриджском университете показала локализацию главных биологических часов в живом организме, так сформулировала отношение ученых к этой гипотезе: «…Браун утверждает, что на организмы всегда влияют изменения окружающей среды, которые и служат сигналами времени. Это утверждение никоим образом не разделяет большинство изучающих биологические ритмы, однако до сих пор, по крайней мере среди опубликованных данных, нет никаких доказательств, которые опровергали бы факты, наблюдавшиеся Брауном».

Ответы на эти основные вопросы ищут в настоящее время многие ученые. Известный американский ученый и популяризатор науки А. Азимов заметил, что движущая сила человеческой любознательности — в потребности занять свой мозг значительно полнее, нежели это необходимо для обеспечения себя пищей и кровом: «Казалось бы, для повседневной жизни совсем не обязательно знать, как высоко небо или почему падает камень. Недосягаемое небо никак не связано с ежедневными житейскими делами, а что касается камня, то знание того, почему он падает, не помогает нам ни бросать его лучше, ни смягчать его удар. Тем не менее всегда находились люди, которые ставили перед собой такие с виду бесполезные вопросы и пытались ответить на них только из желания знать или от потребности мыслить».

После того, как «чистый» ученый построит теорию или откроет на ее основе новые факты, медики, агрономы, инженеры и другие представители прикладных специальностей подхватывают идеи и реализуют их в орудия производства, будь то машины или технологические процессы.

Так, например, Харкер в поисках внутренних часов у таракана столкнулась с тем, что изменение регулировки этих часов приводит к возникновению опухолей и гибели насекомых. Впоследствии мы увидим, какое влияние оказало это открытие на исследования Ф. Халберга, известного своими трудами в онкологии.

Не менее удивительна судьба открытия Брауна, обнаружившего, что картофель очень тонко реагирует на изменение атмосферного давления. Использованная им методика применяется сегодня при изучении реакции живых организмов (в том числе и космонавтов) на воздействия условий открытого космоса. Эти примеры со всей очевидностью показывают связь технического прогресса с научными достижениями и, что не менее важно, зависимость развития науки от прогресса в технике.

В этой книге мы рассмотрим процесс изучения биологических часов глазами и разумом тех, кто совершил в этой области важные открытия. Мы увидим неуверенные поиски, просчеты, ошибки, изумительное искусство ведения эксперимента, триумф интуиции ученого. Мы покажем тактику и стратегию науки, чтобы читатель мог понять те порой странные пути, которые выбирают ученые в своем стремлении раскрыть тайны природы.

2. Из записных книжек натуралистов

…В каждом проявлении природы есть строгая регулярность и четкие закономерности.

Человек издавна замечал периодические изменения у окружавших его живых организмов. От натурфилософских сочинений Аристотеля (IV век до н. э.) и до публикаций сегодняшнего дня не ослабевает интерес исследователей к удивительному чувству времени. Подсмотренные в природе факты были настолько поразительны, а регулярность ритмов, которыми обладают растения и животные, так изумительно точна, что наблюдатели испытывали непреодолимое желание рассказать о том, что видели. Нередко они замечали, что ритмы эти совпадают по фазе с каким-либо естественным ритмом окружающей среды: вращением Земли, обращением Луны вокруг Земли или Земли вокруг Солнца. Некоторые из них даже подсчитали количество животных, которые вели себя определенным образом в определенное время.