Ритчи Уорд - Живые часы

Еще один пример — неоновая лампа, соединенная параллельно с конденсатором и последовательно с сопротивлением и источником электродвижущей силы, будет вспыхивать через регулярные промежутки времени: как только разность потенциалов на конденсаторе достигает критического значения. Именно такой тип колебательной системы (иногда называемый релаксационным осциллятором) и интересует нас [4] [4] Английский физиолог Арчибалд В. Хилл вместе с Отто Мейергофом в 1922 году был удостоен Нобелевской премии по медицине. Концепцию Хилла о релаксационном осцилляторе считают сегодня наиболее приемлемой для объяснения работы биологических часов. .

Хогланд, будучи физиологом, естественно сосредоточил свое внимание на осцилляторах релаксационного типа. Считая химический механизм наиболее вероятной основой для субъективного чувства времени, он пытался найти процессы, которые, как и скорости химических реакций, зависели бы от двух факторов — температуры и концентрации веществ, принимающих участие в реакции [5] [5] Простые химические реакции примерно удваивают свою скорость при повышении температуры на 10 °C. Сложные реакции, такие, как варка яйца, например, часто значительно отклоняются от этого правила. . Полученные Хогландом экспериментальные данные подтвердили влияние этих факторов на измерение человеком небольших интервалов времени (минуты). Хогланд не только одним из первых предположил, что живые организмы содержат в себе химические часы — «метроном», задающий ритм; он был несомненно первым, кто ясно понял, что изучение биологических часов может оказаться плодотворным в очень широкой области исследований. «Дальнейшее выяснение кинетических механизмов… должно стать желательным объектом для тех, кто изучает поведение живых организмов, как бы ни именовали себя эти исследователи — биохимиками, биофизиками, физиологами, ботаниками, зоологами, психологами или этологами». И мы действительно увидим далее, что исследователи, изучающие биологические ритмы, вынуждены подчас знакомиться со значительно более широким кругом вопросов, чем того требуют их профессиональные интересы.

В зонах умеренного климата смена времен года соответствует изменению климатических условий, часто очень резкому. Зимой в северных широтах столбик ртути опускается иногда до сорока градусов ниже нуля, снежный покров достигает высоты человеческого роста, а сплошная облачность сокращает и без того короткий день. На время зимних холодов растения образуют семена и клубни, насекомые переходят в стадию покоя, а некоторые животные впадают в спячку. Адаптивная значимость такого поведения очевидна. Гораздо менее очевиден тот факт, что организмы готовятся к зиме задолго до ее прихода. Чтобы образовать семена, растениям нужно время.

Как они узнают, что уже скоро зима? Либо измеряют календарное время, либо ощущают приближение зимы по укорачивающимся дням. В последнем случае им нужно уметь определять продолжительность дня. Первое сообщение о такой способности у растений было сделано лишь в 1920 году.

Сотрудники Департамента земледелия США химик В. В. Гарнер и физиолог растений X. А. Аллард в 1918 году поставили перед собой практическую цель — найти улучшенный способ разведения табака сорта Мэрилендский мамонт. Дело в том, что растения этого нового сорта дают очень много листьев (иногда до сотни), притом исключительно высокого качества. Но в штатах Мэриленд и Виргиния Мэрилендский мамонт цветет только поздно осенью (независимо от времени посева), так что наступающие морозы убивают растения еще до того, как на них образуются семена.

Годы интенсивных исследований не сразу привели Гарнера и Алларда к желаемому результату. Ученые создавали одну гипотезу за другой, тщательно проверяли их (а эксперименты с растениями продолжаются, как правило, не один год), но все тщетно.

Этим неудачам не следует удивляться, поскольку в то время уровень научных знаний о цветении и плодоношении растений был еще недостаточным. Гарнер и Аллард так писали в своей статье, опубликованной в Сельскохозяйственном ежегоднике в 1920 году:

Растения тропического происхождения цветут и плодоносят в строго определенное время года. Их поведение настолько постоянно, что в нашем представлении появление их цветков ассоциируется с определенными временами года, как перелеты птиц — с весной и осенью. О середине зимы нам напоминают цветки цикламена, фреезии, яркий цвет пуансеттии, плоды и ягоды ардизии. Весной мы ждем появления цветков форзиции, дикой фиалки, крокуса, иудина дерева, кизила. С приближением лета начинается цветение маков, рододендрона, ириса и водосбора. Осенью цветут декоративный шалфей, астры, космея, георгины и хризантемы.

Возникает мысль, что скрытая причина (или причины) такой приуроченности цветения и плодоношения к определенному времени должна быть чисто внутренней, иначе причуды погоды и другие весьма изменчивые внешние условия могли бы серьезно нарушать этот регулярный цикл. Несомненно и то, что для успешного цветения и плодоношения растений требуются известные пределы температуры, влажности и, конечно, освещения. Так, весеннее похолодание, летняя засуха или избыток осадков могут задержать или ускорить развитие растений, но в общем и цветок, и плод образуются регулярно в положенное время.

Поскольку созревание семян для многих растений представляет собой единственную возможность избежать вымирания, легко сделать вывод, что вся деятельность растительного организма направлена лишь на созревание семян, а предшествующие этому рост и развитие стебля, корня и листьев — явления второстепенные. Однако такая точка зрения неверна. Растение просто наследует способность цвести и плодоносить в ответ на определенные благоприятствующие этому условия окружающей среды.

В свете современных знаний это утверждение было действительно пророческим. Заметьте, что, хотя авторы и колебались в выборе контроля над временем цветения, они безоговорочно признавали совместное действие внутренних процессов и внешних факторов: «Растение просто наследует способность цвести и плодоносить в ответ на определенные благоприятствующие этому условия окружающей среды». Этим они на целое десятилетие предвосхитили одну из наиболее оригинальных и плодотворных идей во всей теории биологических ритмов.

Рассуждая далее о причастности внешних условий к созданию у растений определенного стереотипа поведения, они не исключали также и такой возможный фактор, как географическое местоположение растений. Строгая регулярность в цветении и плодоношении соблюдается растениями лишь до тех пор, пока они выращиваются в определенных областях. Перенос из одной области в другую может сильно изменить их поведение: обильно цветущие и плодоносящие растения делаются бесплодными или сдвигают время своего цветения с весны на осень и наоборот; однолетние растения становятся двухлетними. Эти изменения в поведении интродуцированных растений представляют веское свидетельство того, что именно внешние условия регулируют процессы цветения и плодоношения; кроме того, они предполагают возможность управления этими процессами.