Знание-сила, 2007 № 08 (962)

Искали, как выяснилось, не там. Обратная связь, отсчитывающая время, оказалась свойственна каждой клетке. Любимый объект генетиков, муха-дрозофила, опять пришла на помощь. Несмотря на то, что мухи не спят в нашем понимании этого слова, у них все равно существует суточный ритм активности. В 1971 году у дрозофилы были найдены мутанты с измененной длиной суточного цикла. Рональд Конопка обнаружил мух, сутки которых состояли из 19 часов, он назвал эту мутацию pers, и мух с 29-часовыми сутками — perL1, а также мух с хаотической активностью — per01.

Конопка предположил, что, раз эти мутации изменяют продолжительность собственных суток мухи, они-то и приведут его к разгадке мушиного счетчика времени. И оказался прав. Генетическое картирование мутаций показало, что все они лежат в одном и том же локусе Х-хромосомы, то есть являются мутациями одного и того же гена. Ген этот был назван per, он оказался первым из целой серии clock генов. Раз есть ген, рассуждали молекулярные биологи, значит, есть и белок, выполняющий какую-нибудь функцию.

Группа биологов из университета Калифорнии в Лос-Анджелесе под руководством Дина Буономано попыталась понять, за счет чего человек ощущает ход времени, когда он лишен любых ориентиров, от настоящих часов до природных - вроде положения Солнца на небосклоне. Давно известно, что мы и в этом случае можем фиксировать ход времени, причем на каком-то его промежутке даже с приличной точностью. Правда, если испытуемых просят сказать, когда пройдут, к примеру, пять минут, люди отмечают разные временные промежутки в ту или иную сторону от реального значения.

Было предложно множество объяснений того, как человек «внутри себя» ощущает ход времени: от ориентира на сердцебиение до некоего встроенного механизма в мозгу, который задает биологические ритмы. Однако встроенных часов в человеке так и не нашли. Буономано и его коллеги объясняют, почему их нет. Согласно полученным результатам, функция ощущения хода времени распределена по всему мозгу. Для нее нет какой-то специфической области. И обеспечивается эта функция весьма своеобразно. Каждый раз, когда мозг обрабатывает сигнал извне, скажем, звук или вспышку света, сенсорное ощущение производит каскад реакций между клетками мозга. Каждая такая реакция оставляет как бы подпись, которая позволяет всей сети клеток закодировать время данного события. Буономано сравнивает этот процесс с бросанием камней в воду: рябь на воде будет подписью, говорящей о времени падения. Чем дальше уходят волны, тем больше времени прошло.

Моделируя на компьютере сеть нейронов, в которых каждая связь менялась в ответ на внешние стимулы, исследователи выяснили, что такая сеть могла дать информацию о том, сколько времени прошло с момента очередного воздействия, просто исходя из общей картины затухающих реакций. Модель также показала, что отметка времени, соответствующая определенному воздействию, кодируется в контексте событий, которые предшествовали ему. То есть, если можно было бы измерить отклик множества нейронов мозга на вспышку света, можно было бы вычислить и другие события, которые непосредственно предшествовали вспышке, и указать, когда они произошли.

Для проверки этой гипотезы Буономано и его коллеги просили добровольцев определить «на глаз» промежуток времени между двумя звуковыми сигналами. Оказалось, что точность такого определения значительно падала, если перед этим испытуемых отвлекали другими звуками.

По мнению ученых, внутреннее измерение времени лежит в основе таких наших способностей, как распознавание речи и музыки. Значит, понимание механизма ощущения времени может оказаться важным для выяснения причин ряда заболеваний типа дислексии.

И действительно, белок PER был обнаружен. Его концентрация в клетке колебалась с 24-часовым ритмом, что делало его вероятным кандидатом на роль белка биологических часов. Мало того, оказалось, что найденный ген экспрессируется, то есть «работает», в глазах дрозофилы. Это увеличивало шансы найти, наконец, биологические часы, ведь мы знаем, что именно свет синхронизирует биологические ритмы. Концентрация белка максимальна в ядре клетки поздно ночью, а концентрация матричной РНК, на основе которой делается белок, отстает от самого белка на 6 часов. Такое запаздывание наводит на мысль о существовании обратной связи между их концентрациями.

Такой механизм регуляции количества веществ в клетке широко распространен и называется отрицательной регуляцией транскрипции. Он устроен по принципу отрицательной обратной связи: накопив белка столько, сколько нужно, клетка прекращает его дальнейший синтез. Сделать это проще всего, просто перестав производить матричную РНК, на основе которой делается ненужный больше белок.

Система с отрицательной обратной связью — просто идеальный кандидат для отсчитывания времени, она сама по себе производит периодические колебания. Оставалось выяснить детали процесса. Через несколько лет был найден другой clock-ген, ген tim, от английского слова timeless. Мухи, мутантные по этому гену, не умели поддерживать циркадный ритм. Концентрация продукта этого гена — белка TIM, также циклически менялась на протяжении суток, и также отставала от концентрации соответствующей матричной РНК. Значит, найден еще один ген с обратной связью, да еще выяснилось, что белок TIM оказался реагирующим на свет! Дальнейшие исследования показали, что для поддержания нормального суточного ритма мухам нужны «работающие» версии обоих генов, и per и tim, а производимые ими белки должны «работать вместе», возможно, образуя димер.

Ну вот, есть все необходимое для часов. Есть механизм колебаний, и есть «выставление нуля» — белок TIM, чувствительный к свету.

Несколько сложнее устроен суточный счетчик времени у млекопитающих. Перейти от его исследований у мышей к человеку удалось в 2002 году при анализе семей, страдающих редкой формой нарушения сна. Оказалось, что синдром смещения фазы вызывается мутацией в одном из генов семейства Per — всего у млекопитающих 3 гена этого семейства. Мутация этого гена заставляет людей быть «экстремальными жаворонками», ложиться спать в 7 часов вечера и вставать задолго до рассвета — в 2 часа ночи. Другой ген того же семейства, наоборот, при поломке заставляет своих носителей ложиться спать не раньше 2 часов ночи. Вполне возможно, что существуют аллели этих генов с разной степенью активности, приводящей к простому предпочтению того или иного времени суток.

Гены биологических часов «работают» во многих тканях — в сердце, печени, почках, яичниках и семенниках, мышцах и соединительной ткани. Даже изолированные клетки соединительной ткани — фибробласты — ритмически изменяют экспрессию clock- генов. Несмотря на наличие во всех этих тканях собственных биологических часов, суточный ритм в организме все-таки один.