Ритчи Уорд - Живые часы

Поскольку клетки всех высших растений и животных имеют хорошо выраженные и очень сложные ядра с собственной оболочкой, они вместе с высшими протистами попадали в один большой класс эукариотов. И если удастся найти часы у простейшего эукариота, можно будет идентифицировать вообще все живые часы!

Такой была нить рассуждений Эрета. Он мог начать либо с человека и спускаться по лестнице животного царства до простейшей клетки, либо с самого сложного растения и — по лестнице царства растений к простейшему из них. И в том и в другом случае он должен был прийти к одному и тому же организму — простейшему эукариоту. Этим простейшим оказалась Paramecium (туфелька).

О причинах выбора именно этого объекта для своих исследований Эрет говорил:

Самой малой и самой простой клеткой животного происхождения, у которой в настоящее время обнаружены циркадные ритмы, является инфузория Paramecium. Выраженный ритмический показатель у этого простейшего — его способность к конъюгации, которая обычно происходит в дневное время. При постоянной темноте ритм конъюгации сохраняется в течение целой недели с циркадным периодом около 22–23 часов, который почти не зависит от температуры в диапазоне 17–30 °C. Биологические часы этой инфузории легко сдвигаются под действием света различной длины волны. Для P. bursaria, лишенной хлореллы [20] [20] В естественных условиях клетка туфельки обычно содержит симбиотические клетки зеленой водоросли хлореллы В экспериментах Эрета использовался клон P. bursaria, клетки которого не содержали этой водоросли. , исследовали влияние близкой ультрафиолетовой, голубой и красной областей спектра. Излучение, соответствующее далекой красной области спектра, изменений ритма не вызывало, что свидетельствовало об участии в этом процессе порфириноподобных, а не фитохромоподобных пигментов. Еще больший интерес представляло открытие того, что часы туфельки не только сильно изменяют свою работу под действием далекого ультрафиолета, но и сам этот эффект обратим под действием белого света. Следовательно, внутриклеточные часы неделящихся клеток включают в сферу своего действия и метаболизм нуклеиновых кислот. С этой гипотезой вполне согласуются и полученные позже данные об изменениях во фракции РНК и фракции, содержащей нуклеотидные коферменты. Наблюдается определенное совпадение времени наступления этих изменений с циркадной периодичностью.

Иными словами, ультрафиолетовое излучение повреждает спираль ДНК, но клетка может исправить это повреждение, если после ультрафиолета воздействовать на нее белым светом. Именно это и привело Эрета к заключению, что механизм часов клетки должен быть связан с регулирующей системой нуклеинового обмена.

Данные, подтверждающие истинность такого предположения, были получены позднее и в других лабораториях. Так, эти доказательства, в частности, предоставили исследования действия на микроорганизмы актиномицина-Д. (Актиномицин-Д — антибиотик, получаемый из почвенных бактерий и подавляющий синтез ДНК в клетке.) Гастингс со своими сотрудниками показал, что актиномицин-Д останавливает часы водоросли Gonyaulax. Суини удалось изменить ход часов этой водоросли действием ультрафиолета. Мак-Мюррей показал, что веществами, подавляющими синтез белка, не удается воздействовать только на одну какую-нибудь форму ритмической активности Gonyaulax. Поэтому Эрет все больше и больше склонялся к убеждению, что часы размещаются непосредственно в самом основном комплексе жизни — в комплексе ДНК, информационной РНК и связанных с ними реакциях белкового синтеза.

Означала ли вся эта сложность взаимоотношений клеточных процессов несостоятельность аналогии с часами короля Альфреда? Может быть, Эрет и задумывался над этим, но хода своих рассуждений и исследований не изменил. Он договорился о сотрудничестве с Дж. Биллем, специалистом по химии крупных органических молекул, и Э. Трюкко, математиком, работающим в области биофизики, и они втроем занялись разработкой этой проблемы.

В 1967 году они предложили «феноменологическую модель биологического циркадного механизма для отсчета времени».

Концепция «хронона», к которой они пришли, чрезвычайно сложна. Мы не будем даже пытаться подробно обсуждать ее здесь, поскольку это совершенно не входит в задачу данной книги. Но максимально упрощенный разбор предложенной модели даст нам хотя бы приблизительное представление о ходе рассуждений Эрета.

Основой процесса отсчета времени являются по его представлению, очень длинные молекулы ДНК, которые он называет «хрононами». На разошедшихся нитях спирали ДНК строится информационная РНК, достигая полной длины одиночной нити ДНК. Одновременно протекает ряд взаимосвязанных химических реакций, соотношение скоростей которых можно рассматривать как работу регулирующего механизма часов. Таким образом, вся последовательность этих реакций служит в качестве точного механизма отсчета времени, который в очень большом диапазоне не зависит от температуры. Эрет рассматривает эту модель как «скелет… в котором опущены все подробности, не являющиеся абсолютно необходимыми».

Выдвинутая Эретом концепция уже теперь помогает глубже понять всю сложность проблемы живых часов.

Роберт Линдберг, руководитель лаборатории биоастронавтики (Готорон, Калифорния), считает, что для исследователей космоса чрезвычайно важно знать, как поведут себя живые часы, когда они выйдут за пределы сферы действия всех сил, окружающих Землю. От реакции биологических часов на столь резкое изменение внешних условий зависит здоровье космонавтов, все дальше уходящих в глубокий космос. А для выяснения этого необходимы эксперименты над самыми разными животными.

«Если циркадные ритмы человека каким-то образом связаны с сигналами, поступающими из земного окружения, — пишет Линдберг, — тогда вероятность успешно справиться с длительными космическими полетами заметно снижается. Поэтому изучение циркадных ритмов в условиях глубокого космоса является столь же первоочередной задачей, как и измерение интенсивности жесткого космического излучения».