Ритчи Уорд - Живые часы

• Название: Живые часы
• Автор: Ритчи Уорд
• Издательство: Мир
• Жанр: Биология
• Год: 1974

Биоритмология — одна из увлекательнейших областей современной биологии. Что такое «внутренние часы» живых организмов? Каковы принципы их работы? Как растения и животные узнают время? В темноте и при постоянной температуре, замурованные в подземельях, они все-таки «знают», который час. Растения вовремя складывают листья и «засыпают», животные ложатся спать и просыпаются точно, как по будильнику.

Обо всем этом в живой и увлекательной форме рассказывает автор «Живых часов». Книга предназначена для широких кругов читателей; особенно полезна она для школьников старших классов и студентов.

---

Иными словами, ультрафиолетовое излучение повреждает спираль ДНК, но клетка может исправить это повреждение, если после ультрафиолета воздействовать на нее белым светом. Именно это и привело Эрета к заключению, что механизм часов клетки должен быть связан с регулирующей системой нуклеинового обмена.

Данные, подтверждающие истинность такого предположения, были получены позднее и в других лабораториях. Так, эти доказательства, в частности, предоставили исследования действия на микроорганизмы актиномицина-Д. (Актиномицин-Д — антибиотик, получаемый из почвенных бактерий и подавляющий синтез ДНК в клетке.) Гастингс со своими сотрудниками показал, что актиномицин-Д останавливает часы водоросли Gonyaulax. Суини удалось изменить ход часов этой водоросли действием ультрафиолета. Мак-Мюррей показал, что веществами, подавляющими синтез белка, не удается воздействовать только на одну какую-нибудь форму ритмической активности Gonyaulax. Поэтому Эрет все больше и больше склонялся к убеждению, что часы размещаются непосредственно в самом основном комплексе жизни — в комплексе ДНК, информационной РНК и связанных с ними реакциях белкового синтеза.

Означала ли вся эта сложность взаимоотношений клеточных процессов несостоятельность аналогии с часами короля Альфреда? Может быть, Эрет и задумывался над этим, но хода своих рассуждений и исследований не изменил. Он договорился о сотрудничестве с Дж. Биллем, специалистом по химии крупных органических молекул, и Э. Трюкко, математиком, работающим в области биофизики, и они втроем занялись разработкой этой проблемы.

В 1967 году они предложили «феноменологическую модель биологического циркадного механизма для отсчета времени».

Концепция «хронона», к которой они пришли, чрезвычайно сложна. Мы не будем даже пытаться подробно обсуждать ее здесь, поскольку это совершенно не входит в задачу данной книги. Но максимально упрощенный разбор предложенной модели даст нам хотя бы приблизительное представление о ходе рассуждений Эрета.

Основой процесса отсчета времени являются по его представлению, очень длинные молекулы ДНК, которые он называет «хрононами». На разошедшихся нитях спирали ДНК строится информационная РНК, достигая полной длины одиночной нити ДНК. Одновременно протекает ряд взаимосвязанных химических реакций, соотношение скоростей которых можно рассматривать как работу регулирующего механизма часов. Таким образом, вся последовательность этих реакций служит в качестве точного механизма отсчета времени, который в очень большом диапазоне не зависит от температуры. Эрет рассматривает эту модель как «скелет… в котором опущены все подробности, не являющиеся абсолютно необходимыми».

Выдвинутая Эретом концепция уже теперь помогает глубже понять всю сложность проблемы живых часов.

18. Мыши-астронавты

Наша неосведомленность относительно организации живого, того, как оно функционирует, в целом настолько глубока, а отсутствие настоящей теории (в том смысле, в котором употребляет этот термин физик) настолько полно, что мы не можем позволить себе роскошь утверждать, что космическое окружение не принесет нам никаких сюрпризов. Короче, мы не можем позволить себе быть настолько самонадеянными, чтобы лишиться из-за этого возможности сделать открытие первостепенной важности.

Колин С. Питтендрай, 1963

Роберт Линдберг, руководитель лаборатории биоастронавтики (Готорон, Калифорния), считает, что для исследователей космоса чрезвычайно важно знать, как поведут себя живые часы, когда они выйдут за пределы сферы действия всех сил, окружающих Землю. От реакции биологических часов на столь резкое изменение внешних условий зависит здоровье космонавтов, все дальше уходящих в глубокий космос. А для выяснения этого необходимы эксперименты над самыми разными животными.

«Если циркадные ритмы человека каким-то образом связаны с сигналами, поступающими из земного окружения, — пишет Линдберг, — тогда вероятность успешно справиться с длительными космическими полетами заметно снижается. Поэтому изучение циркадных ритмов в условиях глубокого космоса является столь же первоочередной задачей, как и измерение интенсивности жесткого космического излучения».

Исключительно ценную информацию могут дать не только полеты в глубокий космос, например на Марс, но и полеты небольшой автоматической лаборатории с живыми объектами по земной орбите, по орбитам вокруг Луны и вокруг Солнца. Летательные аппараты на этих орбитах, по крайней мере теоретически, подвержены некоторому влиянию земных полей. Спутник с орбиты, удаленной от земной поверхности на триста или четыреста километров, будет периодически приближаться к Земле и удаляться от нее, испытывая при этом циклически меняющееся влияние близости Земли. Организмы, находящиеся на борту такого аппарата, с неизбежностью ощутят этот ритм, и их циркадные ритмы замаскируются. Оба эти эффекта станут ничтожно малыми при переходе на гелиоцентрическую орбиту.

Так ли уже фантастичен полет космического корабля по гелиоцентрической орбите? Вероятно, он станет реальностью гораздо раньше, чем мы предполагаем. Общеизвестно, что прогресс человечества развивается по экспоненте, иными словами, скорость его развития не постоянна, а увеличивается с течением времени. Например, в области биологических ритмов за последние двадцать лет было достигнуто больше успехов, чем за предыдущие двести. Поэтому нельзя считать преждевременным обдумывание и разработку экспериментов, которые ставят целью выяснить, как будут вести себя растения, животные и человек в условиях глубокого космоса.

Подобно многим «недремлющим», Р. Линдберг пришел к изучению биологических ритмов из совсем другой области биологии. После защиты докторской диссертации в Калифорнийском университете в 1952 году он занялся исследованиями в Комиссии по атомной энергии. Работая на испытательной станции в пустыне, он изучал действие радиоактивных осадков на местных животных: кенгуровую крысу, белоногую и карманчиковую мышей.

Обычно Линдберг отлавливал этих животных и отправлял их в лабораторию Университета Лос-Анджелеса для определения действия радиоактивных осадков на хромосомы. Поскольку биопробы проводились на вскрытых животных, ему не было нужды сохранять их живыми. Тем не менее было очень важно, чтобы они поступали в лабораторию минимально изменившимися. Поэтому Линдберг помещал своих пленников в пластиковые пакеты и тут же укладывал в контейнер с сухим льдом. Предполагалось, что животные быстро погибали от холода или задыхались от углекислого газа. В лаборатории этих хорошо сохранившихся животных оттаивали и использовали для биопроб.

Как-то раз Линдберг сам принес контейнер с животными, выгрузил с грохотом замерзшие пакеты на стол и сел поболтать с сотрудниками лаборатории. Разговор, очевидно, был долгим, поскольку его пакеты успели хорошо прогреться. Внезапно беседа оборвалась, и Линдберг с изумлением уставился на стол — подпрыгивало несколько пластиковых пакетов.

Линдберг схватил один из них и, заглянув внутрь, увидел карманчиковую мышь, живую и активную, как прежде. Позднее выяснилось, сколь необычным созданием является этот маленький зверек. Хотя карманчиковая мышь и теплокровное животное, при снижении температуры она тотчас же переходит в состояние оцепенения, и тогда без всякого вреда для нее ее можно замораживать. При оттаивании температура тела животного быстро повышается, оно выходит из состояния оцепенения и сразу же становится активным.

Какое подходящее животное для экспериментальной работы! Идеи одна за другой возникали в голове Линдберга. Ведь под рукой было животное, активность которого можно было приостанавливать — и, возможно, на долгий срок — простым охлаждением. Безусловно, это животное, как и другие, обладает суточным ритмом двигательной активности. Весьма вероятно, что и изменение температуры тела у него имеет явно выраженный суточный ритм. В любом случае этот зверек представлял собой новый многообещающий объект для изучения биологических ритмов.

Тем временем 4 октября 1957 года в Советском Союзе был выведен на орбиту первый искусственный спутник Земли. Воображение Линдберга быстро установило связь между вероятностью скорой отправки человека в космос и экспериментальным животным, которое способно переносить низкие температуры и почти полное отсутствие кислорода. Представлялась уникальная возможность участвовать в космических исследованиях, и в 1959 году он перешел работать в авиационную фирму «Нортроп Корпорейшн». Там он, став руководителем лаборатории биоастронавтики, отдает много времени и сил отработке топкого и надежного объекта для экспериментов в космосе.

Содержание карманчиковой мыши (Perognathus Iongimembris) в условиях космоса практически не представляет проблем. Этот зверек весит около девяти граммов, совсем не пьет воды, а питается только сухими семенами. Поэтому за день он выделяет меньше капли мочи и крохотные сухие комочки помета без запаха. Потребность мыши в кислороде так мала, что ее можно долгое время держать в запаянной консервной банке. Охлаждением мышь можно перевести в состояние длительной спячки, из которой ее легко пробудить простым повышением температуры.