Юрий Симаков - Животные анализируют мир

Однако колебания белковых молекул-маятников не надо путать с тепловым колебанием. Колебания, дающие ритм времени, связаны в основном с движением скручивания и раскручивания белковых молекул. Огромные белковые молекулы в живых клетках по своему строению напоминают сложные пружины, кою-рые раскручиваются и скручиваются в определенном ритме. Каждая цепочка, из которой состоит белковая пружина, несет на себе электрические заряды. Достаточно растянуть пружины, как эти заряды начнут вращаться, создавая магнитное поле с определенным расположением полюсов. А отпустишь ее — она сожмется, заряды и полюсы магнитного поля вернутся в исходное положение. Таким образом, уже при сжатии и растяжении белковой молекулы возникает переменное магнитное поле. Значит, если бы около такой пружины был постоянный магнит, он способствовал бы ее ритмическим колебаниям. Но ведь такие магниты в живой клетке есть! Это — атомы металлов, включенные в состав самой белковой молекулы, вернее, в особый центр. У них сильное постоянное магнитное поле. Вполне возможно, что комплекс белковых молекул, а может быть, специальные молекулы — хронодатчики переводят беспорядочные тепловые колебания в резонансные. Ведь такую белковую молекулу можно рассматривать как своеобразный колебательный контур, настроенный на определенную частоту.

Существует и Другая точка зрения на молекулярный механизм биологических часов. Ее придерживается, например, Чарлз Эрет, окончивший Парижский университет, но долгое время работающий после этого в Аргонской лаборатории при Комиссии по атомной энергии США. Эрет разработал концепцию «хронона», соответственно которой первичным маятником биологических часов служат ДНК, информационная РНК и связанные с ними реакции белкового синтеза. Последовательность этих реакций играет роль датчика ритмов в точном механизме отсчета времени, который в очень большом диапазоне не зависит от температуры.

Ни одной из высказанных точек зрения нельзя отдать предпочтения, пока экспериментально не будет выявлен источник первичных временных импульсов. Где он находится — в ядре или в цитоплазме клетки?

Группа американских ученых — Суини, Хэкео и Рихтер — решили проверить это на крупной водоросли ацетобулярии величиной до двух — четырех сантиметров, похожей на маленький зонтик. Всего одна клетка и ядро в ризоиде, которым водоросль прикреплена к субстрату; отрезал микроскальпелем ризоид — и клетка оказывается без ядра. Когда ядро у ацетобулярии удалили, то оказалось, что одна протоплазма способна поддерживать циркадный (околосуточный) ритм фотосинтеза в течение тридцати циклов. Так где же работают биологические часы — в протоплазме или в ядре? Ученые попробовали создать «синтетическую клетку», у которой ритм ядра и цитоплазмы расходился бы по фазе на двенадцать часов. Из живой клетки удалили собственное ядро, а подсадили другое, работающее по своим часам. Прошло немного времени, и клетка начала жить по. ритму ядра, следовательно, оно определяет ход биологических часов. Другое дело, какие молекулы задают первичный ритм — белки или нуклеиновые кислоты? Ответа на этот вопрос пока нет.

Нет пока еще единого мнения среди ученых относительно механизма, управляющего ходом биологических часов. Большинство ученых считают, что ходом биологических часов управляют механизмы, заложенные в самих живых клетках, а вот, по мнению американского профессора Ф. Брауна, наоборот, регуляторами биологического времени служат космическое излучение, магнитное поле Земли и само движение в космическом пространстве Солнца, Земли и Луны. Опыты свои он проводил в полной темноте на кусочках картофеля, вырезанных с глазком, и показал, что дыхание этих кусочков зависит и меняется главным образом от вышеперечисленных внешних факторов. Однако вернемся к нашим внутренним часам, ведь мы разобрали только, как работает их «маятник».

Как и у настоящих часов, где стрелки медленно ползут по циферблату, в часах, заключенных внутри нас, есть механизмы, выполняющие роль стрелок. Только в живых часах не три стрелки (если принимать во внимание и секундную), а значительно больше. Они показывают часовые, суточные, месячные, годовые ритмы, возможно, даже жизненные. А на уровне отдельных клеток минимальные временные ритмы, возможно, укорачиваются до тысячных долей секунды.

Как же эти короткие временные ритмы передаются дальше? Где же в биологических часах второе «колесико»? Его уже можно рассмотреть в микроскоп, оно не так мало, как «маятник» живых часов. Роль этого колесика, по-видимому, выполняет ядро клетки. Но у науки пока еще нет ответа, каким образом высокочастотные ритмы молекул-«маятников» переводятся ядром в циркадные, то есть околосуточные ритмы.

Часовым механизмом в ядре служит не генетический материал, а скорее всего ядерная оболочка. Когда исследователи хотели посмотреть, как работают часы у бактерий, они ничего не обнаружили. Никаких циркадных ритмов у бактерий не найдено. Вот тут-то биологи задумались: чем же отличаются бактерии от других организмов? Ответ как бы напрашивался сам собой — у бактерий нет оформленного ядра. Ядерный материал есть, но он не заключен в оболочку. Это, по существу, часы без стрелок.

Много еще в организме есть непонятных колеблющихся систем, о которых почти ничего не известно. Например, нейроны головного мозга окружены звездчатыми клетками, их называют астроглия. Так вот, эти клетки совершают одно колебание в четыре минуты. Зачем такой ритм, что он отмеряет, может быть, это маятник месячных, сезонных или годовых часов? Пока неизвестно.

О сезонных часах мы тоже почти ничего не знаем, кроме того, что они могут включать и выключать на определенный сезон работу отдельных генов. Так, всем хорошо известно, что многие животные впадают в зимнюю спячку. Когда биологи посмотрели, что же происходит в организме спящих животных, то оказалось, что многие функции у них, вплоть до клеточных, выключены. Спит организм, и спят его клетки. Причем как спят! Ничем не разбудить. Вот возьмем, например, лягушку. Каждую зиму она, зарывшись в ил какого-нибудь пруда, переживает тяжелые студеные времена. В это время ее клетки не делятся — они отключены. Проследим это на клетках хрусталика глаза. Переднюю часть линзы глаза покрывает тонкая пленочка, на которой расположен только один слой клеток. Если этот монослой снять, то можно, как в кожице лука, наблюдать за клетками и их делением.

Перейдем к эксперименту. Попробуем разбудить лягушку зимой. Лягушка хочет спать, постоянно опускается в воду. Но мы ее освещаем, переводим в теплое помещение, не даем ей спать. Через некоторое время лягушка просыпается. Сидит, смотрит, даже может тихо квакать, но что происходит с ее клетками? При рассматривании клеток под микроскопом обнаруживаем, что они спят. И будут спать до весны, пока их не включат сезонные часы и они не начнут делиться.