Алан Бёрдик - Куда летит время. Увлекательное исследование о природе времени

Внутри биологических часов тикают как составляющие клетки – гены и протеины, так и постоянный диалог между ними. В каждой живой клетке содержится ДНК в виде плотно упакованных последовательностей генетического материала. У эукариотов, самой многочисленной группы живых организмов, в которую входят все виды животных и растений, ДНК располагается внутри клеточного ядра, окруженного мембраной. Каждая ДНК-последовательность (у человека их двадцать три) образует двойную спираль из двух цепочек, соединенных между собой по центру наподобие застежки-молнии. Каждая из цепочек состоит из нуклеотидов, которые входят в состав генов различной продолжительности. Структура ДНК необыкновенно динамична: спираль периодически разъединяется, обеспечивая возможность экспозиции генов. С рабочего гена снимается копия, которая впоследствии выходит из ядра в цитоплазму клетки, где происходит синтез белков различных видов в соответствии с кодом исходной матричной ДНК. Представьте себе поглощенного работой архитектора на необитаемом острове, пересылающего заказчику на континент чертежи, по которым выпускают разнообразную робототехнику, и вы поймете, что это такое.

Большая часть генов кодирует структуру белков, выполняющих определенные функции внутри самой клетки. Белки входят в состав молекул, катализируют метаболические реакции и обеспечивают репарацию внутренних дефектов. Два гена, ответственных за работу циркадных часов, кардинально отличаются от структурных генов – они кодируют структуру двух видов белков, которые накапливаются в цитоплазме и в конечном итоге возвращаются обратно в ядро, где соединяются с активаторами исходных генов, препятствуя их экспрессии. Вкратце говоря, клеточные часы состоят из намного большего числа компонентов, чем пара генов, обладающих способностью самопроизвольно прекращать экспрессию при содействии различных медиаторов. Архитектор, о котором мы говорили, не просто посылает чертежи – послания, запечатанные в бутылки, адресованы будущему. Когда в море наберется достаточное количество бутылок, послание достигнет адресата и скомандует: «Пора вздремнуть».

Когда архитектор спит, гены внутренних часов стоят, синтез белка прекращается. Белковые молекулы, синтезированные ранее, растворяются в цитоплазме. Больше они не просочатся в ядро, и гены, которые ранее были блокированы, возобновят экспрессию и продолжат издавать приказы о синтезе белков. Процесс носит циклический характер – именно этого и добивался естественный отбор. При этом примечательно не то, что производится в течение цикла (вся продукция носит умозрительный характер – ничего вещественного), а сроки его реализации: прохождение полного цикла, которое запускается в момент первой активации генетических часов, затем останавливается и запускается снова, занимает в среднем двадцать четыре часа. В результате продуктом цикла становится не молекула, а определенный промежуток времени. В сердечной ткани эндогенные часы генерируют ритм в результате неспешной беседы ДНК клетки и протеин-синтезирующих структур, которая тянется около двадцати четырех часов. Внутренние часы тикают в такт своему ритму, даже если их хозяин, будь то человек, мышь, дрозофила или цветок, сутками удерживается в темноте. В силу того, что цикл генетических часов не в полной мере совпадает с суточным циклом, расхождение циркадных ритмов с астрономическим временем будет усиливаться с каждым днем. И напротив, регулярное пребывание на солнце обнуляет эндогенные часы и производит регулировку по астрономическому времени. В диалоге ДНК клетки и протеин-синтезирующих структур солнечный свет играет роль круглосуточного модератора – не вмешиваясь в разговор ежесекундно, он направляет беседу в нужное русло.

ВНУТРЕННИЕ ЧАСЫ ТИКАЮТ В ТАКТ СВОЕМУ РИТМУ, ДАЖЕ ЕСЛИ ИХ ХОЗЯИН, БУДЬ ТО ЧЕЛОВЕК, МЫШЬ, ДРОЗОФИЛА ИЛИ ЦВЕТОК, СУТКАМИ УДЕРЖИВАЕТСЯ В ТЕМНОТЕ

Современная наука почерпнула большую часть сведений о циркадных часах из трудов по зоологии. В 1950-х годах Сеймур Бензер и Рональд Конопка произвели серию экспериментов с дрозофилами, ставших классикой биологической науки: опытным путем было установлено, что у плодовых мушек наблюдаются четкие околосуточные периоды активности. Более того, у некоторых лабораторных линий дрозофил продолжительность суточного цикла не равнялась строго двадцати четырем часам. Иногда расхождения были незначительными, иногда – довольно существенными. В результате скрещивания линий и последующей подстройки генетических параметров под единый стандарт биологи выявили гены, отвечающие за циркадные ритмы, и разработали базовую модель внутренних часов. Два гена, получившие названия per и tim (от англ. period – «период» и timeless – «безвременный»), кодируют структуры двух белков, соответственно названных PER и TIM. Далее два вида белков объединяются в одну молекулу; когда в цитоплазме набирается критическая масса данных молекул, они начинают поступать в ядро, подавляя экспрессию генов per и tim.

В ходе последующих исследований сходный механизм регуляции циркадных ритмов, в котором задействованы аналогичные структуры, был обнаружен у мышей, хотя следует отметить, что биологические часы мышей отличает большее количество аллельных вариантов ключевых генов и, как следствие, более широкий диапазон белковых продуктов. Те же генетические структуры выявляются и в клетках человека. Таким образом, эндогенные часы у всех животных, начиная с муравьев и пчел и заканчивая северными оленями и носорогами, устроены примерно одинаково. У растений свой внутренний часовой механизм, обеспечивающий своевременную продукцию репеллентов накануне утренних атак насекомых. Растения, у которых биологические часы функционируют без перебоев, меньше страдают от вредителей. Дженет Браам, цитолог Райсовского университета в Хьюстоне, США, с коллегами выяснили, что внутренние часы капусты, голубики и других садовых и огородных культур продолжают тикать даже после уборки урожая. Но под круглосуточным освещением овощной лавки или в постоянной темноте рефрижератора циркадные ритмы растений начинают расстраиваться, что проявляется нарушением циклических процессов выработки основных защитных веществ. Как следствие, растительная продукция утрачивает способность сопротивляться инфекциям, теряет вкус и питательную ценность. Потому-то наши овощи и влачат столь жалкое овощное существование.

Циркадному ритму подчиняется даже невзрачный с виду, но зато хорошо известный в научном сообществе плесневый грибок Neurospora , поражающий хлебобулочные изделия. Некоторые аспекты функционирования биологических часов, общие для растений и животных, тесно срослись с жизненным циклом клетки – это впечатляет до глубины души. У некоторых биологов закрадываются подозрения, что у всех живых существ установлены разные версии одних и тех же часов, заведенных семьсот миллионов лет назад, когда на Земле появились первые многоклеточные формы жизни. Рассуждения ученых служат мне утешением, когда я опять просыпаюсь в 4:27, остро сознавая смертность своего «я». Вероятно, я представитель единственного вида животных, которому свойственно осознавать неотвратимость конца. Траву, ожидающую солнечных лучей, совершенно не тревожит перспектива свести знакомство с газонокосилкой. Мое пробуждение подчинено тем же законам, что и пробуждение пчел, цветов заморского дерева, поставляющего кофе для моей кофеварки, и даже плесени, поразившей забытую на кухонной столешнице буханку хлеба. Все то же наследие природы продолжает тикать внутри нас, оповещая о ходе времени. А вести счет часам вправе тот, кто в состоянии это сделать.