Дин Буономано - Мозг – повелитель времени

Через 10 лет исследовательская группа под руководством Майкла Росбаша выделила этот ген и определила его нуклеотидную последовательность 52 52 Reddy et al., 1984. Этот же ген был независимым образом идентифицирован еще в одной лаборатории (Bargiello et al., 1984). . В дальнейшем были обнаружены другие гены, играющие ключевую роль в функционировании биологических часов; таким генам часто дают соответствующие названия, например, Clock , Cycle или Timeless .

Процессы с участием этих генов и их продуктов, приводящие к установлению стабильного циркадного ритма, весьма сложны, но общий принцип прост. Настолько прост, что понять его можно на примере устройства туалетного бачка. Каждый раз, когда вы спускаете воду в туалете, бачок вновь заполняется водой, но перелива не происходит. Когда вода находится на нижнем уровне, соединенный с клапаном поплавок опускается, клапан открывается, и уровень воды поднимается. При этом поплавок поднимается вверх и закрывает клапан. Если проделать в бачке маленькое отверстие, через которое постоянно могла бы подтекать вода, поплавок в какой-то момент опустился бы достаточно низко, чтобы открыть клапан и заполнить бачок. Так происходят осцилляции: медленное снижение уровня воды в какой-то момент приводит к открытию клапана, уровень воды повышается, и приток воды прекращается. Затем вода снова начинает медленно подтекать, и процесс возобновляется. И если ваш туалет среди ночи по какой-то причине начинает издавать звуки, вполне вероятно, что он осциллирует в результате протечки клапана.

Биологические часы устроены сложнее туалетного бачка, но принцип тот же, хотя механизм, управляющий действием этих часов, носит труднопроизносимое название: саморегулирующаяся транскрипционно-трансляционная петля обратной связи . Транскрипционная – потому что закодированные в ДНК гены транскрибируются в РНК. Трансляционная – потому что эти молекулы РНК транслируются в белки. А «саморегулирующаяся петля обратной связи» означает, что эти белки ингибируют дальнейшую транскрипцию тех самых генов, которые привели к их синтезу (тем самым закрывая водяной клапан). Один такой белок носит название Period – это продукт гена Period . Концентрация белка в клетке постепенно нарастает, и в какой-то момент сам белок отключает ген, с которого синтезируется. Затем белок постепенно разрушается, ген вновь начинает действовать, и это приводит к росту концентрации белка. Догадайтесь, сколько времени длится этот цикл?

Но циркадный ритм – это не просто осцилляции с частотой около 24 ч; такие осцилляции должны быть устойчивыми. Часовых дел мастера XVIII в. боролись с влиянием температуры на ход механических часов и маятников, и эволюции тоже пришлось решить проблему ускорения биохимических реакций с повышением температуры. Мы до сих пор не очень хорошо понимаем, как эктотермные 53 53 Эктотермными являются те организмы, которые получают тепло из внешней среды, эндотермными – те, которые вырабатывают тепло сами и потому способны поддерживать температуру тела на одном и том же уровне. Если речь идет о животном мире, то их также называют холоднокровными и теплокровными организмами. – Прим. ред. организмы, такие как цианобактерии, растения или мухи, поддерживают 24-часовой ритм жизни, невзирая на суточные и сезонные колебания температуры. Но мы знаем, что с саморегулирующейся транскрипционно-трансляционной петлей обратной связи взаимодействует множество других генов и белков, и некоторые из них, по-видимому, компенсируют влияние температуры 54 54 Кроме того, что компенсация колебаний температуры может происходить за счет чувствительных к температуре химических реакций (Smolen et al., 2004), она также может зависеть от изменений связывающей активности специфических аминокислотных остатков в белках при разной температуре (Hussain et al., 2014). .

Радиостанция WWVB, расположенная поблизости от Форт-Коллинза в Колорадо, передает очень важную, но чрезвычайно скучную информацию. На протяжении всего дня она посылает сигналы всемирного координированного времени для всех часов во всей Северной Америке, включая те, которые синхронизируются через радиосигналы. Такую же работу выполняет супрахиазматическое ядро головного мозга. Молекулярный механизм, заставляющий работать внутренние часы, существует во всех клетках млекопитающих. Таким образом, концентрация белка Period осциллирует не только в нейронах супрахиазматического ядра, но и в большинстве клеток нашего тела 55 55 У дрозофил имеется лишь один вариант гена Period , а у млекопитающих их как минимум три. . Функция супрахиазматического ядра заключается в том, чтобы все эти часы работали синхронно.

Весь день нейроны супрахиазматического ядра рассылают сигналы в различные отделы нервной системы 56 56 Colwell, 2011. . Уровень активности этих нейронов косвенным образом отражается в том, спим мы или бодрствуем, а также служит калибровочным сигналом для определения реального времени суток (или того времени, которое супрахиазматическое ядро считает реальным временем суток). Подобно большинству клеток тела, нейроны супрахиазматического ядра существуют в полной темноте, глубоко в извилинах мозга. Поэтому возникает вопрос: откуда они знают правильное время – день сейчас или ночь?

На языке специалистов в области хронобиологии супрахиазматическое ядро тренируется под действием внешних сигналов – синхронизаторов ( zeitgebers ). Конечно же, самым мощным синхронизатором является солнечный свет. Совсем не случайно супрахиазматическое ядро расположено в месте пересечения правого и левого оптического нерва. Благодаря этому расположению ядро получает данные относительно уровня освещенности снаружи черепа. А эта информация позволяет тренировать биологические часы и обеспечивать соответствие их показаний фазе вращения Земли. Однако все это проще сказать, чем сделать.

Любой человек, переживший физические и психические неудобства, связанные с пересечением земных меридианов, знает о сложностях перенастройки биологических часов. Ресинхронизация супрахиазматического ядра после перелета из Лос-Анджелеса в Лондон может занять несколько суток: для перехода на новый ритм после пересечения каждого часового пояса требуется примерно по одному дню. А вот наручные часы можно сразу перевести на местное время.

Это различие отражает разные принципы устройства биологических и рукотворных часов. Частота осцилляций кристалла кварца в большинстве наручных часов составляет 32 768 Гц, так что за час отсчитывается 32 768 × 60 × 60 осцилляций. Для перевода часов по прибытии в Лондон не требуется переделывать часовой механизм, а нужно только формально изменить общее число осцилляций путем перевода часовой стрелки (или цифры). Напротив, колебание маятника биологических часов происходит за полные сутки, так что их перевод – гораздо более сложная процедура, затрагивающая сам часовой механизм и требующая сдвига на половину колебания. «Колебание» в данном случае – это рост и снижение концентрации внутриклеточных белков. Немедленно изменить концентрацию белков в клетке просто невозможно, как невозможно немедленно «перенастроить» наполовину опустевшие песочные часы.