Природа и механизм работы биологических часов

Наблюдения ученых показали, что ритмические процессы в живых организмах имеют много общих черт. Это обстоя­тельство навело на мысль о том, что в основе всех процессов лежит единый внутриклеточный механизм часов. Он управляет всеми биологическими часами, присутствую­щими как в простых одноклеточных, так и в сложных высокоорганизованных живых организмах.

Живому организму необходимо измерять промежутки времени самой различной продолжительности и для раз­ных целей. Так, каждое измерение скорости (например, при ориентации птиц во время перелетов) связано с из­мерением времени иногда с точностью до миллисекунд.

 

 

Поэтому, как предполагают ученые, живой организм имеет целый набор биологических ритмов с различными пе­риодами. Короткие (в тысячные доли секунды) периоды колебаний, возникающие на клеточном уровне, трансфор­мируются в более длинные суточные ритмы отдельных органов и систем организма. В связи с этим механизм биологических часов можно сравнить с механизмом обыч­ных часов. Подобно им, биологические часы имеют меха­низм деления частоты - аналог зубчатых колес в часовом механизме. Точность хода механических часов обусловле­на стабильностью частоты быстрых колебаний маятника. Пока часовая стрелка завершает суточный цикл, маятник часов осуществляет множество колебаний. В биологиче­ских же часах, по аналогии с механическими, суточный цикл каких-либо физиологических функций осуществля­ется множеством элементарных внутриклеточных коле­баний.

Как показали исследования ряда ученых (Ж. Гастингс, 1962 г., и др.), биологические часы измеряют абсолютное время. Об этом свидетельствует циркадная (суточная) длительность циклов, сохраняющаяся при постоянных внешних факторах среды, а также несовпадение во вре­мени фаз одного и того же процесса у представителей разных видов и разновидностей.

Среди некоторых ученых долго господствовало убеж­дение, что измерение времени в биологических часах основано на одиночных реакциях, т. е. на принципе пе­сочных часов. Иными словами, предполагалось, что какой-либо стимул (например, восход солнца или пере­варивание пищи) приводит в действие определенный биологический процесс, завершение которого отмечается сигналом, посылаемым в соответствующий орган. В каче­стве аналогии приводился такой процесс, как разряд кон­денсатора.

Однако, как стало известно в последнее время, у жи­вотных, растений и даже у самых примитивных одно­клеточных организмов существует гораздо более совер­шенный способ измерения времени, основанный на циклических процессах в организме. Этот способ позволяет осуществить измерения времени в организме на протя­жении более длительного промежутка - до того момента, пока не появится фактор, способствующий определению времени в новом цикле.

Таким образом, стало очевидным, что в основе изме­рения времени лежат не одиночные, а цепные процессы и что принцип их работы тот же, что и у маятниковых часов.

При изучении природы биологических часов важно было выяснить механизм возникновения первичных пе­риодических процессов, определяющих ход внутриклеточных часов. Ученые проводили исследования в различных направлениях: определяли физический, химический, био­логический и физиологический смысл явлений, происхо­дящих в клетках и тканях организма. Результаты иссле­дований вызывали самые различные (в том числе и про­тиворечивые) выводы.

Так, мнение ученых о физической природе внутриклеточных часов основывалось на том, что длительность периода биологических ритмов очень мало зависит от температуры. Правда, можно предположить, что в этом случае идет взаимодействие химических процессов, обладающих различными температурными коэф­фициентами. Однако такое объяснение не очень хорошо согласуется с тем, что отсутствие температурной зависимости индивидуальных фаз цикла проявляется в одном и том же интервале температур - обычно между 10-30°С. В пользу физической природы биологических часов свидетельствует периодическое изменение состояния мак­ромолекул. Экспериментально установлено, что у некото­рых составных частей клетки (например, ядра) способ­ность связывать воду периодически меняется. Это обус­ловлено внутриклеточными реакциями, обеспечивающими клетку энергией. Периодические колебания макромолекул поддерживаются за счет поступления очень небольшого количества энергии, что обеспечивает надежность и устой­чивость работы внутриклеточных часов.

Кроме доказательств в пользу физической природы биологических часов, были получены экспериментальные данные, показывающие, что в клетках организма происхо­дят и биохимические процессы, определяющие ход био­логических часов. Многие биохимические процессы регу­лируются и имеют суточную периодичность.

Особенностью таких биохимических процессов является то, что они не зависят от температуры. Обычно же эти реакции непо­средственно зависят от температуры. Это объясняется тем, что структура митохондрий и других субклеточных частиц прекрасно приспособлена к межмолекулярному и внутримолекулярному переносу энергии, обусловленному движением электронов. Таким образом, объяснение меха­низма работы внутриклеточных часов их биофизической природой, для которой характерна независимость процес­сов от температуры, не противоречит мысли и о биохи­мической природе часов.

Биохимическая природа биологических часов под­тверждается большим экспериментальным материалом. Он свидетельствует о том, что работа биологических часов внутри клетки основана на чередовании напряжения и расслабления, т. е. на релаксационных колебаниях. Этими колебаниями управляет химическая энергия, от которой за­висит фаза напряжения. Вследствие недостаточного снаб­жения клетки энергией процесс напряжения не достигает максимума, в связи с чем система не может удержаться на низком уровне и вновь возвращается в расслабленное состояние.

Периодические колебания биологических часов иссле­дователи объясняют взаимной регуляцией внутриклеточ­ных систем. Более наглядно процесс регуляции двух си­стем, соединенных между собой обратными связями, мож­но представить следующим образом. Предположим, что одна из систем вырабатывает какое-то вещество. Тогда другая система обусловливает исчезновение этого вещест­ва из объединенной системы. Первая система начинает вырабатывать вещество лишь тогда, когда его содержание падает ниже определенного критического уровня. Вторая же система начинает разрушать это вещество в том слу­чае, когда его содержание превысит верхний критический предел. В результате получится типичная гомеостатическая, самоподдерживающаяся система по отношению к данному веществу. При определенных условиях в резуль­тате инерционности, замедленности прохождения регуля­ционных сигналов содержание этого вещества будет все время оставаться на некотором гомеостатическом «сред­нем» уровне.

Таким образом, ритмический процесс колебаний в клетке возникает путем самоподдержания колебаний.

Каждая клетка, как и целостный организм,- самоподдер­живающаяся система.

Ученые выдвигают различные гипотезы о природе са­моподдержания ритмических колебаний в клетке. Амери­канский исследователь Дж. Вильдер и большинство дру­гих ученых придерживаются мнения, что единственный принцип существования клетки - ритмический процесс, состоящий из «фаз положительной и отрицательной эн­тропии», энергетической перезарядки системы. Сущест­вование этого ритма колебаний энергии, как полагает уче­ный, и является тем основным началом в природе, которое позволяет отграничить живые организмы от хаоса нежи­вой природы. По мнению ученых, самоподдерживающиеся ритмические колебания в клетке возникают благодаря сме­не фаз возбуждения и торможения. Вильдер объясняет эти процессы изменением направления движения ионов внутри клеток, а также колебанием потенциалов клеточ­ных оболочек.

Процесс возникновения ритмических колебаний в клет­ке можно более наглядно представить на модели, предло­женной Вильдером. Если два солевых раствора различной концентрации разделить полунепроницаемой заряженной оболочкой и через них пропускать электрический ток, то в оболочке возникнут ритмические изменения потенциа­лов ее сопротивления и водонепроницаемости. В резуль­тате перераспределения анионов и катионов в клетках возникают процессы электрической перезарядки. В этом видят аналогию с биологическими часами.

Математическое и физическое моделирование меха­низма работы биологических часов проводили и другие исследователи - К. Клоттер, Р. Вевер, О. Шмит, X. Калмус, Л. Уигглосуорс, Ч. Эрет и Дж. Барлоу.

Опыты американского ученого Ч. Эрета показали, что в механизме биологических часов принимают участие ну­клеиновые кислоты. Свои исследования Эрет проводил с учетом биохимической и биофизической природы клетки. Он пришел к выводу, что основа процесса отсчета време­ни в клетке - очень длинные молекулы ДНК, названные им «хрономами». На разошедшихся нитях спирали ДНК строится информационная РНК.

Длина ее соответствует длине одиночной нити ДНК. Одновременно в клетке про­текает ряд взаимосвязанных химических реакций, соот­ношение скоростей которых можно рассматривать как работу регулирующего механизма часов. В качестве точ­ного механизма отсчета времени выступают последова­тельно происходящие реакции. Их строгая последователь­ность позволяет вести точный отсчет времени в широком диапазоне температур.

Интересна история возникновения у Эрета изложенной выше идеи работы внутриклеточных часов. Зная структу­ру молекулы в клетке, представленной английскими уче­ными Дж. Уотсоном и Ф. Криком в виде двойной спира­ли, Эрет стал сравнивать ее «образ» со всеми когда-либо существовавшими часами. Чтобы выяснить принцип рабо­ты биологических часов, ученый пытался представить себе их возможную форму. Логика решения задачи со­стояла в том, чтобы, рассмотрев созданные человеком при­боры для измерения времени, подобрать хотя бы отдален­но похожий по форме на тот, который находится в клетке. Ч. Эрету пришлось собрать сведения о солнечных часах древних египтян, греческих водяных часах, маятниковых часах Галилея, а также о самых современных атомных часах. Были также рассмотрены песочные, гиревые, древ­ние механические часы и даже цветочные часы.

Среди множества часов внимание ученого привлекли часы, сделанные еще в IX в. Это были часы-свеча - два спирально перевитых куска каната длиной 30 см, пропи­танных смесью пчелиного воска и свечного сала. Горение кусков каната происходило с постоянной скоростью - 7,5 см/час. Таким образом каждый канат сгорал за 4 час. Определение же времени производилось по 12 отметкам на канате: каждая горела 20 мин. После сгорания одной свечи, зажигалась следующая. За сутки сжигалось шесть свечей.

Сравнение часов-свечи с молекулой ДНК наглядно по­казало их внешнее сходство: форму спирали и периоди­ческую структуру. У свечи периодичность заключалась в чередовании желтой и темно-коричневой полос воска, у молекулы же ДНК - в повторении четырех веществ: аденина, гуанина, цитозина и тимина. Внешнее сходство ча­сов-свечи и молекулы ДНК навело на мысль о том, что двойная спираль молекулы ДНК измеряет время. Однако, как показали дальнейшие исследования ряда ученых, ме­ханизм измерения времени молекулой ДНК, внешне по­хожий на работу свечи в часах, по своей сущности гораздо сложнее. Он предполагает включение в сферу его действия метаболизма нуклеиновых кислот. В работе внутри­клеточных часов, как показал эксперимент, принимает участие регулирующая система нуклеинового обмена.

Таким образом, Эрет определил первичную структуру внутриклеточных часов, расположенную в комплексе ДНК, информационной РНК.

Гипотезу химического механизма биологических часов высказал американский исследователь С. Хендрикс в 1963 г. В своей гипотезе Хендрикс приводит четыре типа химических реакций, которые могут обеспечить измере­ние времени в биологических часах. К первой группе он относит химические реакции, скорость которых определя­ется так называемым ключевым веществом. Примером могут служить взаимоприращения никотинамида, позволя­ющие ограничивать скорость и объем различных окисли­тельно-восстановительных реакций. Вторая группа вклю­чает такие реакции, у которых скорость регулируется количеством конечного продукта. Так, например, подавле­ние действия соответствующих ферментов автоматически снижает накопление гистидина в клетке бактерий. К треть­ей группе химических реакций относятся процессы раз­блокировки синтеза ферментов, проходящие на уровне генов, т. е. синтеза молекул РНК, а к четвертой группе - химические реакции, которые связаны с образованием и регулированием количества гормонов.

Все четыре группы химических реакций рассматрива­ются с точки зрения скорости этих реакций. Конечный продукт реакции при его накоплении в результате обрат­ных связей уменьшает начальную скорость реакции. В ко­нечном итоге общее время химической реакции увеличи­вается (учитывается время, проходящее от начальной до конечной реакции).

Все рассмотренные выше гипотезы о природе и механизме работы биологических часов пока еще не дают исчерпывающего объяснения, а сама проблема познания при­роды часов живых организмов далека от полного экспери­ментального завершения.

Успехи изучения биологических часов на внутрикле­точном уровне имеют большое значение для понимания различных биоритмических процессов в организме животных и человека. Большие заслуги в этом отношении принадлежат и советским ученым. Особо здесь следует отметить работы, связанные с изучением природы биологических часов, двух выдающихся советских ученых - д. А. Сабинина и А. Н. Баха. Они первыми установили связь механизма внутриклеточных часов с нуклеиновыми кислотами и белками. В дальнейшем Сабинин продолжил изучение биологических часов на растениях и впервые предположил наличие связи между ритмичностью роста растений и обменом нуклеиновых кислот.

Для понимания природы и механизма работы биоло­гических часов на уровне всего организма необходимо представить себе работу клеток какого-либо центра (или субцентра). Рассмотрим, например, работу клеток гипо­таламуса, имеющего четко выраженную суточную пери­одичность.

С теоретической точки зрения существуют два варианта совместной деятельности клеток: все клетки работают либо синхронно (фазы колебаний у них совпадают), либо несинхронно (фазы не совпадают). При первом варианте суточные ритмы организма (их длительность и положение фаз) полностью повторяют циклы одновременного чередования фаз возбуждения и торможения центра управле­ния биологическими часами - гипоталамуса. При вто­ром - суточные ритмы представляют собой усреднение большого количества несинхронных ритмов.

Анализируя оба варианта совместной работы клеток центра (субцентра), в частности гипоталамуса, американ­ский исследователь К. Рихтер пришел к выводу, что все клетки центра (гипоталамуса) в нормальных условиях функционируют между собой несинхронно, т.е. фазы колебаний у них не совпадают. Болезненные состояния приводят к синхронизации колебаний в клетках, что про­является прежде всего в увеличении длительности циклов. Таким образом, шоковое состояние или травма организма синхронизируют колебания всех клеток, уменьшая фазо­вые сдвиги колебаний и изменяя циклическую продолжи­тельность, В качестве примера Рихтер приводит работу клеток, продуцирующих синовиальную жидкость суставов. В нормальном состоянии они функционируют несинхронно и имеют 7-14-суточный цикл. Как только возникает заболевание, клетки начинают работать синхронно, фазовые сдвиги между колебаниями приближаются к нулю, а в суставах через каждые 5, 9, 11 и т. д. суток возникает отечность (водянка суставов). В организме человека мо­гут периодически возникать такие заболевания, как лейкоцитоз, эозинофилоцитоз, повышение температуры тела, увеличение кислотности желудка и т. д.

Многие заболевания человека можно рассматривать с точки зрения изменений, связанных с перестройкой цик­личности физиологических функций его организма, например работы сердца, дыхания и т. д. Изменения ритма как отдельных органов, так и всего организма в целом могут косить временный характер. В таком случае говорят, что организм имеет функциональные расстройства (это прежде всего относится к центральной нервной системе человека). К функциональным расстройствам в организме человека относится десинхроноз, возникающий в результате пере­лета человека через меридианы в восточном или запад­ном направлении. К ним можно отнести и функциональ­ные расстройства центральной нервной системы, возни­кающие при переутомлении, эмоциональных стрессах, си­стематическом нарушении режима труда и отдыха. Функ­циональные расстройства могут привести к временной бес­соннице, к ослаблению и вялости всего организма, к повы­шенной возбудимости и нервозности.

Однако стоит че­ловеку войти в привычный нормальный ритм жизни, как нарушенная ритмичность функций организма восстанав­ливается.

Иное дело - заболевания, связанные с патологически­ми, необратимыми изменениями в организме человека. В этом случае нарушенный ритм работы отдельных орга­нов не восстанавливается.

Функциональные изменения в организме, например учащение работы сердца, дыхания, могут происходить не только при заболеваниях, но и в результате усиленной физической и умственной работы, эмоциональных напря­жений, при воздействии внешних неблагоприятных фак­торов: температуры, атмосферного давления, повышенной или пониженной влажности. Часто функциональные изме­нения в ритме отдельных органов человека при больших нагрузках могут быть во много раз выше нормы. Особенно это относится к спортсменам, у которых во время ответ­ственных соревнований частота сердечных сокращений до­стигает 250 ударов в минуту (вместо 60-80 ударов в ми­нуту в нормальном состоянии). Однако, несмотря на такое резкое изменение ритма работы сердца, через короткий промежуток времени частота сердечных сокращений у здоровых людей полностью восстанавливается.

В организме человека при функциональных изменени­ях происходит саморегулирование биологических ритмов. В связи с этим возникает вопрос, нельзя ли производить преднамеренное регулирование отдельных органов и си­стем организма, изменяя длительность их циклов в нужном направлении? Можно ли изменить суточную периодичность физиологических функций в организме человека?