Местоположение биологических часов в живых организмах

Как показали исследования ряда ученых, биологические часы существуют в каждой клетке живого организма. В качестве доказательства приводятся факты, свидетельствующие о наличии суточной периодичности у однокле­точных водорослей.

Отсутствие же биологических часов у некоторых одноклеточных организмов ученые объясняют особенностями строения клетки. Они считают, что биоло­гические часы свойственны тем клеткам, у которых ядро четко отграничено от цитоплазмы специальной мембраной. Такие клетки имеют две мембраны - наружную клеточ­ную (оболочку) и внутреннюю ядерную.

 

 

Их иногда на­зывают «двухоболочечными» клетками. В отличие от них существуют «однооболочечные» организмы, у которых су­точные ритмы не обнаружены. К их числу относятся раз­личные бактерии, не имеющие четко отграниченного ядра. Наличие биологических часов в каждой клетке жи­вого организма в настоящее время не вызывает сомне­ний. Не выяснен пока вопрос, каким образом взаимодей­ствуют биологические часы всех клеток организма как целостной системы. Не до конца решены вопросы о том, что управляет ходом биологических часов всего организма.

На основании проведенных исследований ученые счи­тают, что в многоклеточных живых организмах сущест­вует иерархия ритмов, при этом биологические часы отдельных клеток синхронизируются с суточными ритмами «ведущих клеток». В настоящее время основная задача ученых - обнаружить клетки, управляющие ритмом всего организма.

Замечательные работы провела в этом направления английская исследовательница Ж. Харкер еще в 1960 г. В тонких и остроумных опытах она определила у тарака­нов центры, управляющие их биологическими часами. Харкер выбрала таракана в качестве объекта своих ис­следований потому, что у него четко выраженная суточ­ная двигательная активность, которая сохраняется при нарушении условий освещения в течение нескольких дней. Кроме того, таракан легко переносит лабораторные условия, неприхотлив в еде (может питаться чем угодно) и отдельные части его относительно слабо развитой центральной нервной системы имеют хорошо выраженную автономию. Так, обезглавленный таракан может прожить несколько дней, бегая и расходуя имеющиеся в нем запа­сы энергии.

Смысл экспериментов Харкер заключался в том, чтобы выявить орган таракана, из которого поступает в кровь вещество, стимулирующее суточную двигательную активность. Она последовательно удаляла один за другим все эндокринные органы, проверяя при этом действие биоло­гических часов таракана.

В результате напряженной работы Харкер удалось об­наружить у таракана орган, от которого зависело возник­новение суточной периодичности движений. Им оказался подглоточный ганглий, расположенный под пищеводом таракана. Размер этого органа очень мал, поэтому удалить его можно было только под микроскопом. Харкер потра­тила почти три года на прижигание мельчайших участков подглоточного ганглия, пока она не нашла четыре нейро-секреторные клетки, играющие важную роль в поддер­жании ритма двигательной активности. Пересаживая эти клетки в кровоток других тараканов, она смогла убедить­ся в том, что именно данные клетки ответственны за вы­деление гормона в определенные промежутки времени. Зная, где находятся биологические часы у таракана, ис­следовательница продолжала выяснять, что заставляет их работать, каков механизм, регулирующий ход ритма.

Один из способов, позволяющий узнать, как работает механизм,- разладить его деятельность. В данном случае необходимо было найти физиологический способ нарушения хода биологических часов. Харкер нашла такой спо­соб. Она подвергла таракана одновременному воздействию двух биологических часов, не совпадающих друг с другом по времени. Эксперимент был длительным и состоял из трех этапов. На первом этапе исследований к таракану с разлаженным суточным ритмом был прикреплен другой таракан, имеющий нормальный суточный ритм. Связь между ними осуществлялась через кровоток. В этом слу­чае таракану был навязан суточный ритм партнера.

На втором этапе исследований была проведена пере­садка подглоточного ганглия обезглавленному таракану от нормального таракана. В проведенном эксперименте у обезглавленного таракана появился нормальный ритм, который сохранялся в течение нескольких дней.

Третий этап исследований состоял в пересадке тара­кану с кембриджским временем «часовых» клеток тара­кана с новозеландским временем. В результате такого эксперимента у кембриджского таракана был разлажен ход биологических часов, после чего в его кишечнике раз­вилась опухоль, и он погиб.

Таким образом, Харкер в своих экспериментах не только определила местоположение биологических часов у таракана, но и показала, что происходит с ним при сбившемся ритме биологических часов. Ни у одного дру­гого вида животного, кроме таракана, местоположение биологических часов пока не обнаружено, хотя ученые, работающие с млекопитающими, уже вплотную подошли к решению этой задачи.

В настоящее время учеными установлено, что расте­ния не имеют центральных механизмов, управляющих всеми суточными ритмами. Это было показано на простых экспериментах, в которых путем изменения освещения у двух соседних листьев создавались различные ритмы. Что же касается высших позвоночных животных и человека, то у них поиски центров управления биологи­ческими часами продолжаются. В этом направлении сде­лано много. Так, американский ученый К. Рихтер еще в 1960 г. высказал предположение о существовании у чело­века трех типов биологических часов: центральных, гомеостатических и периферических. Центральные часы рас­положены в таламусе, гипоталамусе, ретикулярной фор­мации и в задней доле гипофиза.

Гомеостатические часы имеют непосредственное отношение к гипоталамусу и свя­заны с различными железами внутренней секреции. Пери­ферические часы находятся в разных тканях и независи­мы от центральных часов.

Согласно Рихтеру, центр управления биологическими часами человека расположен не в коре головного мозга. Это обстоятельство он объясняет тем, что зависимость от коры мозга придавала бы суточным ритмам физиологи­ческих процессов все основные черты условных рефлек­сов. Действительно, влияние коры головного мозга на су­точные ритмы человека ограниченно. Даже при отсутствии обоих полушарий суточная периодичность различных фи­зиологических процессов, в частности ритма сна и бодр­ствования, сохраняется. Поэтому центр управления био­логическими часами человека, надо полагать, находится под полушариями. Биологические часы наиболее устойчи­вы к случайным изменениям во внешней среде, что важ­но для сохранения суточного ритма. Кроме того, разде­ление функций между корой и нижележащими участками мозга имеет большое приспособительное значение, позво­ляющее освободить кору от управления множеством внут­ренних процессов и создать тем самым условия для при­способления организма к изменениям внешней среды.

Гипоталамус имеет непосредственное отношение к управлению суточным ритмом. В нем находятся центры, управляющие температурой тела, работой желез внутрен­ней секреции, а также углеводным, водно-солевым и жи­ровым обменом.

Управление суточной периодичностью наиболее четко проявляется в деятельности температур­ного и водно-солевого центров. Об этом свидетельствуют многочисленные исследования, проведенные на людях. Работа этих центров осуществляется так называемыми субцентрами с помощью различных способов. Так, напри­мер, температурный центр через один из субцентров осу­ществляет регулирование температуры при помощи физи­ческих процессов, изменяя интенсивность потоотделения и дыхания; просвет сосудов через другой субцентр - пу­тем химических процессов усиливает обмен веществ при понижении температуры крови.

С помощью гипоталамуса в организме человека регу­лируются ритмы многих процессов, например ритм содер­жания эозинофилов и других клеток в крови.

Гомеостатические часы, как уже говорилось ранее, связаны с работой гипоталамуса. Они управляются нерв­ными центрами гипоталамуса через гипофиз, и в их дея­тельности наиболее полно представлен принцип обратной связи. Принцип работы соответствующих центров заключается в том, что возбуждение возникает в них в результате недостатка специальных веществ в крови, а тормо­жение - при их избытке. Возбуждение одного из центров гипоталамуса приводит к выработке нейросекрета, который заставляет клетки гипофиза вырабатывать гормон. Под его влиянием кора надпочечников выделяет вещество, тормозящее деление клеток костного мозга.

Периферические часы работают независимо от гипота­ламуса, и в своей деятельности они не связаны ни с цент­ральными, ни с гомеостатическими часами. В них роль главного метронома могут выполнять надпочечники. Они-то и создают суточный ритм выработки адреналина и норадреналина. Основная особенность периферических часов в том, что они позволяют длительное время сохра­нять положение фаз какого-либо физиологического ритма при нарушении нормального чередования света и темноты. Изменение фаз ритма в этом случае будет свидетельство­вать о прямом или косвенном влиянии гипоталамуса на периферические часы.

В организме человека нет таких физиологических про­цессов, которые не зависели бы полностью от центральной нервной системы и от общего состояния организма. В ра­боте периферических часов время от времени могут уча­ствовать и центральные часы, которые по нервным путям будут осуществлять регуляцию ритма из гипоталаму­са. В этом случае может происходить изменение место­положения центра биологических часов человека. Оно непосредственно связано с системой регуляции, с механиз­мом работы и природой биологических часов.

Тот факт, что в другом часовом поясе ход биологичес­ких часов перестраивается, свидетельствует об их условно-рефлекторной регуляции.