Дин Буономано - Мозг – повелитель времени

Светляки светятся по той причине, что синтезируют фермент люциферазу, который в присутствии субстрата (небольшой молекулы, называемой люциферином) испускает энергию в виде фотонов света. Ученые встраивали ген люциферазы в самые разные клетки – в бактерии, плесень, растения, фибробласты и, конечно же, в нейроны супрахиазматического ядра. Если транскрипцию гена люциферазы поставить под контроль белка, вырабатываемого в циркадном ритме, концентрация люциферазы в клетке тоже будет осциллировать. В результате такая клетка в буквальном смысле медленно разгорается и медленно затухает, чтобы вновь разгореться примерно через 24 часа.

Каким образом единичная клетка бактерии отслеживает время суток? Прежде чем ответить на этот вопрос, можно задать другой: зачем клетке нужно знать время?

В главе 7 мы поговорим о том, что без повсеместного внедрения точных часов не было бы промышленной революции. Конвейерные линии, где каждый рабочий выполняет специфическую функцию, требуют координированной работы большого числа людей. Но задолго до промышленной революции, примерно за миллиард лет до ее начала, эволюция уже создала биологические фабрики и решала проблемы координации процессов во времени. Наиболее важная конвейерная линия на планете Земля – это фотосинтез: серия биохимических процессов, в которых фотоны солнечного света взаимодействуют с множеством белков, что приводит к созданию устойчивых и богатых энергией молекул, самой известной из которых является глюкоза.

Цианобактерии – один из видов фотосинтезирующих организмов, а фотосинтез – работа дневная. Как никакой владелец завода не захочет платить рабочим, чтобы они просиживали на работе всю ночь и при этом ничего не делали, так и цианобактерии не могут растрачивать энергию на синтез белков фотосинтеза в ночное время. Однако необходимо, чтобы с первыми лучами солнца эти молекулы уже были готовы к работе для максимально эффективного использования доступной солнечной энергии. Эволюция решила эту задачу, изобретя биологический будильник, возвещающий о приближающемся восходе Солнца. Таким образом, одной из движущих сил эволюции циркадного ритма была необходимость точной координации клеточных функций с циклом смены дня и ночи, связанным с вращением Земли (рис. 3.2).

Рис. 3.2.Быстрые и медленные циркадные ритмы у цианобактерий. Циркадные ритмы двух штаммов цианобактерий с периодами приблизительно 23 и 30 часов. Бактерии были генетически сконструированы для излучения света способом, пропорциональным концентрации определенного белка. Когда эти штаммы вынуждены конкурировать друг с другом за ресурсы в условиях 23-часовой светлой темноты, 23-часовой штамм победит; напротив, если их поместить в 30-часовой цикл свет-темнота, 30-часовой штамм победит. (Адаптировано с разрешения Johnson et al., 1998.)

Эволюционное преимущество умения определять время суток (т. е. наличие хороших внутренних часов) было продемонстрировано в изящном эксперименте с разными штаммами цианобактерий. Представьте циркадные ритмы двух штаммов: один имеет короткий цикл около 23 ч, другой – более длинный, около 30 ч. Исследователи поместили оба штамма на одну чашку Петри с целью установить, какой из них в конечном итоге завоюет все пространство. Важно, что эксперимент был поставлен в двух вариантах: в одном варианте свет включали и выключали через каждые 11 ч, имитируя сутки длительностью 22 ч (что близко к естественному 23-часовому циклу для первого штамма), а в другом – через каждые 15 ч, имитируя сутки длительностью 30 ч. Через месяц выяснилось, что в тех условиях, где выдерживался 22-часовой ритм, доминировали бактерии с коротким суточным циклом. Напротив, в условиях 30-часового ритма преобладали бактерии с более длинным циклом 49 49 Johnson et al., 1998; Ouyang et al., 1998. См. также Summa and Turek, 2015. . Понятно, что наличие 22-часового цикла при 30-часовой длительности суток или наличие 30-часового цикла при 22-часовой длительности суток приводило к несовпадению световой фазы и фазы активности клеток и, следовательно, к пониженной эффективности использования света. Таким образом, мало иметь биологические часы, необходимо, чтобы их период соответствовал естественному циклу внешних изменений. Только тогда организм получает эволюционное преимущество.

Таким образом, одно из преимуществ обладания внутренними часами заключается в оптимизации фотосинтеза, но, возможно, оно было не первым. Не менее важным для жизни является умение делиться и воспроизводиться. Ключевой этап клеточного деления заключается в репликации ДНК, в которой записаны все необходимые для жизни инструкции. Репликация ДНК чрезвычайно чувствительна к ультрафиолетовому (УФ) излучению (именно по этой причине многократные солнечные ожоги повышают риск развития рака кожи, и именно поэтому на тюбиках солнцезащитного крема указаны единицы экранирующей активности). Ультрафиолетовое излучение чрезвычайно опасно для одноклеточных существ, у которых нет таких защитных органов, как кожа, наполненная поглощающим ультрафиолет пигментом меланином. Клетки, делящиеся в условиях сильного УФ-излучения, рискуют повредить свою ДНК, а ночью этот риск снижается. По этой причине некоторые биологи выдвинули так называемую гипотезу «спасения от света» , которая гласит, что поначалу эволюция циркадного ритма была направлена на то, чтобы заставить клетки делиться в ночное время 50 50 Nikaido and Johnson, 2000; Sharma, 2003; Rosbash, 2009. Одно из доказательств в пользу того, что ранней движущей силой эволюции циркадных часов была оптимизация ритма клеточного деления с целью минимизации пагубного влияния УФ-излучения, заключается в наличии у насекомых светочувствительного сенсора криптохрома , подчиняющегося циркадному ритму. Этот белок имеет высокий уровень гомологии с ферментом, ответственным за репарацию повреждений ДНК, полученных под воздействием УФ-излучения. .

А теперь вернемся к главному вопросу: как отдельно взятая клетка определяет точное время суток? Первый шаг в поисках ответа на этот вопрос сделали лауреат Нобелевской премии Сеймур Бензер и его студент Рон Конопка из Калифорнийского технологического института в начале 1970-х гг. 51 51 Konopka and Benzer, 1971. Замечательное научно-популярное описание истории изучения циркадных часов: Reddy et al., 1984; Weiner, 1999.

Лаборатория Бензера изучала знаменитую фруктовую муху Drosophila melanogaster , которая, как и все мухи, начинает жить в виде личинки. Сначала личинка окружает себя оболочкой (пупарием) и превращается в куколку, а из куколки через несколько дней появляется взрослое насекомое. Процесс высвобождения из оболочки строго координирован по времени. Насекомые вылупляются в ранние утренние часы, чтобы избежать высушивания под действием солнечных лучей. С целью изучения генетики внутренних часов Конопка искал мутации, которые заставляли бы насекомое вылупляться в неправильное время. Он нашел три такие мутации: одна возникала в разное время на протяжении жизни, вторая возникала рано, а третья поздно. В полной темноте все мутанты вели себя примерно одинаковым образом: взрослые особи были либо активны в разное время суток с разными интервалами, а их свободный цикл составлял 19 ч, либо имели аномально длинный цикл протяженностью целых 28 ч. Конопка обнаружил, что все три мутации происходили в одном и том же гене, который он назвал Period .