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.

---

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.

У этого существа наблюдаются два вида четко выраженных и легко поддающихся измерению ритмов: ритм двигательной активности и ритм изменения температуры тела. Наиболее достоверные результаты дает ритм изменения температуры тела. Карманчиковая мышь является так называемым факультативно-гомойотермным животным. В активном состоянии температура тела этого теплокровного животного чуть ниже, чем у человека (34–35,5 °C), а в состоянии, когда мышь впадает в оцепенение, она снижается до температуры окружающей среды.

Линдберг выяснил, что момент, когда карманчиковая мышь в естественных условиях входит в состояние оцепенения, является довольно четким показателем ее циркадного ритма. Но этот показатель иногда дает отклонения (отдельная мышь может пропустить день, вообще не впадая в состояние оцепенения, да и момент, когда мышь переходит в оцепенение, оказался весьма изменчивым). Поэтому Линдберг стал пользоваться моментом выхода из оцепенения, оказавшимся значительно более точным показателем.

Следующий этап исследований состоял в том, чтобы найти удобные и надежные методы регистрации температуры тела: один — для использования в земных условиях, другой — для получения информации, которую можно было бы хранить в космическом корабле и по команде передавать на Землю. Идеальными для этого могли оказаться быстро развивающиеся методы телеметрии. Уже были усовершенствованы крошечные радиопередатчики, используемые для изучения поведения животных в естественной среде. Уже проводились наблюдения за свободным перемещением галапагосских черепах, за числом сердечных сокращений у птиц во время полета и даже за колебаниями внутриглазного давления у человека.

Линдберг разработал телеметрическую аппаратуру для записи изменений температуры тела и периодов двигательной активности своих карманчиковых мышей. Радиопередатчик раз в десять меньше двухкопеечной монеты можно было помещать в брюшную полость мышей, не причиняя им никакого вреда. Он получал питание от крошечного ртутного элемента, имел чувствительность в одну десятую градуса и срок годности, равный двумстам пятидесяти дням. Кроме того, исследователь предусмотрел приемно-регистрирующую систему, которая каждые пять минут могла снимать показания термометра и хранить их для передачи на Землю при каждом обороте спутника.

Располагая исключительно удобным подопытным животным и оборудованием для записи ритмов поведения этого животного в любых экспериментальных условиях» Линдберг обратился за советом и помощью к К. Питтендраю, имевшему большой опыт исследовательской работы в области биологических ритмов. Питтендрай заинтересовался столь увлекательным сотрудничеством, и они разработали схему блока для животных и приборов, а также схему, обеспечивающую выполнение всей экспериментальной программы в условиях космического полета.

Первоначально блок для животных состоял из шести тонкостенных алюминиевых цилиндров от 30 до 45 сантиметров длиной и около четырех сантиметров диаметром. В этих цилиндрах должны были разместиться шесть карманчиковых мышей. Через цилиндры предполагалось пропускать под нормальным давлением воздух нормальной температуры. Кроме того, в каждом цилиндре был предусмотрен 30-дневный запас очищенных семян подсолнечника. Торцы цилиндров были закрыты крупной сеткой, которая в условиях невесомости задерживала полноценные семена, но пропускала крошки семян и помета в ловушку для мусора. Мочу должна была впитывать асбесто-целлюлозная подстилка, которая отделяла электронные приборы от мыши. Алюминиевые цилиндры размещались в два этажа по три цилиндра в каждом и монтировались над блоком приборов. Такой совершенно автономный контейнер для тридцатидневного полета шести мышей, включающий оборудование для обработки и хранения информации, а также систему контроля окружающих условий, будет весить не более двенадцати килограммов, занимать объем не более 0,03 кубического метра и потреблять всего 12 ватт электроэнергии.

В начале шестидесятых годов Американский институт биологических проблем учредил пять региональных исследовательских советов, с тем чтобы они подготовили рекомендации для программы биологических исследований на управляемой человеком орбитальной космической станции. В октябре 1966 года эти рекомендации были готовы. Среди них были следующие рекомендации по исследованию биологических ритмов:

Живым организмам свойственна ритмичность многих их функций. Существует несколько видов биологических ритмов — суточные, лунные, годовые. Биологические ритмы находятся под влиянием и внешних и внутренних факторов (последними в некоторых случаях можно искусственно управлять). Изучать биологические ритмы лучше всего сопоставляя организмы, стоящие на различных уровнях организации.

Поскольку многие из этих ритмов связаны с влиянием земного окружения, представляется чрезвычайно интересным и важным их изучение в условиях близких к космическим. Такие исследования могут дать информацию о механизмах биологических ритмов, а также об эффектах, возникающих при нарушении обычных связей с внешней средой. Последний аспект непосредственно связан с потенциальными неудобствами и опасностями космических путешествий.

Весьма вероятно, что биологические ритмы влияют на результаты большинства биологических экспериментов, проводимых на борту спутника, и это следует учитывать в постановке таких экспериментов и при анализе получаемых данных.

Обогащенный новыми знаниями о реакции живых организмов на необычные условия, человек получает возможность управлять окружающей средой. И кто знает, не будет ли этому способствовать изучение ритмов карманчиковых мышей-астронавтов.

19. Внутренние часы человека

Ученые, с исследованиями которых мы знакомились до сих пор, задавались вполне определенным вопросом или ставили перед собой конкретную задачу, разрабатывали методы ее решения и получали тот или иной ответ.

Дарвина, например, интересовало, почему листья «спят», — и он фиксировал их в развернутом, дневном, положении и на основании их реакций пришел к выводу, что листья складываются на ночь, чтобы защититься от ночного холода. Харкер хотела выяснить, где у животного находятся его живые часы. Проведя тонкие хирургические операции на тараканах, она обнаружила их в четырех клетках подглоточного ганглия. Хамнер решил узнать, зависит ли существование циркадных ритмов от сил, связанных с вращением Земли. Он привез растения и животных на Южный полюс и вращал их там в направлении, противоположном вращению Земли. На основании этого эксперимента он пришел к выводу, что ритмы у растений и животных существуют независимо от сил, возникающих в результате вращения Земли.

Во всех этих случаях можно было сформулировать конкретный вопрос, разработать метод экспериментального исследования и получить тот или иной ответ. Но как сформулировать вопрос, приступая к исследованию внутренних часов человека?

«Суточные кривые» человека зависят от столь многих факторов, что их необычайно трудно интерпретировать. Человек в этом смысле очень неудобный для эксперимента организм. Поэтому более полное представление о процессах, определяющих существование циркадных ритмов у человека, может быть получено прежде всего на основании изучения менее высокоорганизованных животных.

Современный взгляд на эту сложную проблему был выражен Юргеном Ашоффом, одним из крупнейших ученых в области изучения биологических ритмов.

«Даже неспециалисту хорошо известно, — писал Ашофф, — что температура тела человека минимальна рано утром и достигает своего максимального значения к вечеру. Это явление было описано еще в 1842 году. С тех пор многочисленные клинические и физиологические исследования показали, что в организме человека нет ни одного органа и ни одной функции, которые не обнаруживали бы суточной ритмичности. Измеряем ли мы число делящихся клеток в той или иной ткани, объем выделяемой мочи, реакцию на лекарство или точность и скорость решения арифметических задач — мы обычно обнаруживаем, что максимальное значение соответствует одному времени суток, а минимальное — другому.»