біологічний годинник

Цей випадок стався в одному науково-дослідному інституті. Група вчених отримала новий вид грибка, який передбачалося використовувати для синтезу лікарських речовин. Коли був зроблений хімічний аналіз грибка, одна з величин в довгому стовпчику цифр здалася керівнику групи сумнівною. Він з'ясував, що аналіз робила молода лаборантка і, підозрюючи, що вона помилилася, попросив перевірити його. За це взявся сам завідувач лабораторією, старий досвідчений хімік. На цей раз була отримана інша цифра. Тоді вчений вирішив зробити аналіз сам і отримав результат, сильно відрізнявся від перших двох. Чий же результат був правильним? Ретельна перевірка показала, що правильними були всі три. Просто не було враховано, що аналізи робилися в різний час дня. А зміст тих чи інших речовин в організмі міняється протягом доби, дотримуючись певного ритму.

Про те, що життєдіяльність організмів підпорядковується певної ритмічності, вчені знають давно. Спостереження над тваринами і рослинами наштовхують на думку, що більшість живих організмів якимось чином відчувають час. Зібрано велику кількість фактів, що підтверджують цю гіпотезу.

Ранковий крик півня цілком може замінити дзвінок будильника. Летючі миші вилітають щовечора на полювання в один і той же час. Капелюшок соняшнику повертається слідом за сонцем (Навіть якщо воно закрите хмарами) з рівномірним годинникової стрілки. Багато рослин складають пелюстки своїх квітів до ночі і розправляють їх вранці. Вони роблять це з такою точністю, що за ним можна перевіряти годинник.

Почуття часу притаманне і людині. Для багатьох людей не становить ніякої складності прокинутися вранці саме в той час, яке вони намітять ввечері. Виявляється, безлічі фізіологічних процесів, що відбуваються в організмах і людини, і тварин, і рослин, також властива певна ритмічність. Майже для кожного з них можна виявити цикл, який щодоби з великою точністю повторюється. Це відноситься до кількості червоних кров'яних тілець в крові людини, до інтенсивності світіння деяких видів планктону, до зміни забарвлення у креветок, до руху листя у рослин і безлічі подібних процесів.

В організмі людини одночасно здійснюються декілька десятків різних циклів. Протягом доби у нього за певними закономірностями змінюються вміст цукру в крові, рівень кров'яного тиску, температура тіла, частота дихання, інтенсивність роботи серця, нирок, печінки та інших органів. Як же регулюються всі ці процеси, де механізм, який змінює їх інтенсивність в часі? Яким чином організм взагалі відчуває час?

СТРІЛКИ І МЕХАНІЗМ

Довгий час вважали, що механізм почуття часу у живих організмів влаштований порівняно просто. Добові ритми життєдіяльності пояснювалися періодичністю змін тих чи інших умов середовища: освітленості, температури, вологості, атмосферного тиску і навіть інтенсивності космічних випромінювань.

Однак поступово з'являлося все більше спостережень, які свідчили про неспроможність такої думки. Птахи в Арктиці сплять в один і той же час і в умовах постійної освітленості. Дослідження показали, що на добових ритмах організмів не позначається обертання Землі, отже, не впливає і інтенсивність космічних променів. Якщо помістити миша на деякий час в темну камеру, в якій підтримуються постійними температура, вологість і тиск повітря, то добові ритми тваринного залишаться колишніми.

Напрошується висновок, що в організмах тварин і рослин є якийсь автономний годинниковий механізм, який регулює добові ритми життєдіяльності. Факти підтверджують це припущення. Так, наприклад, у двох мишей, поміщених в темну камеру, добові ритми дещо відрізняються один від одного. Зрозуміло, цього не було б, якби ритм визначався тільки змінами зовнішнього середовища, які для обох тварин однакові.

Апарат, керуючий ритмами життєдіяльності, вчені називають біологічним годинником. Механізм цього годинника, мабуть, дуже своєрідний, хоча до цих пір невідомо, як він працює: як хронометр, безперервно відлічує час, або як будильник, який вказує час, коли повинні починатися і закінчуватися ті чи інші процеси в організмі.

Добові ритми життєдіяльності та активності організмів - це свого роду стрілки, спостерігаючи за якими, ми можемо зробити висновок, йдуть біологічний годинник або зупинилися, але нічого не можемо сказати про пристрій самого механізму. Щоб з'ясувати це, потрібно зібрати якомога більше даних про властивості біологічного годинника. Скажімо, чи можна їх зупинити і яким чином? Як пустити їх в хід? Як змусити їх поспішати або відставати? Що впливає на хід цього годинника?

Уже відомо, що «стрілки» біологічного годинника роблять один оборот приблизно за 24 години. Але, виявляється, вчені можуть за бажанням пересувати «стрілки» в досить широких межах вперед або назад. Організм, наприклад, поміщають в незвичні для нього умови освітленості. Тоді хід його «годин» як би зсувається, але 24-годинний цикл, як і раніше зберігається. Якщо потім знову перевести тварину в нормальні умови, відновлюється і нормальний ритм життєдіяльності.

Якщо тримати тварину в повній темряві, то зазвичай через кілька днів добовий цикл його життєдіяльності пропадає, проте його можна відновити знову, впливаючи на організм світлом. У мушки дрозофіли добовий цикл відновлюється завдяки спалаху світла, тривалістю всього 0,005 секунди!

Одне з характерних властивостей біологічного годинника - це майже повна нечутливість до змін температури, якщо вони лежать в межах нормального для організму діапазону. У ссавців це не здається дивним. Адже температура їх тіла регулюється самим організмом і завдяки цьому залишається незмінною.

У риб, жаб, змій і всіх безхребетних температура тіла, як відомо, залежить від температури середовища, і тому швидкість внутрішніх процесів в організмі зростає або зменшується в залежності від навколишньої температури. Але біологічний годинник при цьому не прискорюють і не уповільнюють свого ходу.

Цікаво, що при 0 ° вони зупиняться, але якщо почати підвищувати температуру, то знову підуть. При цьому, подібно до годинника, які деякий час стояли, вони тепер будуть відставати в порівнянні з годинником, які йшли не зупиняючись. Якщо організм протримати при 0 ° рівно вісім годин, а потім відігріти його, то його біологічний годинник будуть відставати в порівнянні з нормальним ходом теж рівно на вісім годин. На хід біологічного годинника можна впливати також наркотиками і анестезуючими речовинами. Після того як дія наркотику припиниться, годинник знову повертаються до нормального ходу.

ПОШУКИ ГОДИН В ОРГАНІЗМІ

Як бачите, про властивості біологічного годинника нам відомо чимало. Однак ми не знаємо найголовнішого: де вони знаходяться в організмі і як влаштовані. Довгий час вчені вважали, що почуття часу - просто звичка, який виробляється організмом в процесі життєдіяльності. Однак експерименти не підтвердили цього. Було виявлено, що короткий спалах світла може відновити нормальний ритм у мушки дрозофіли і в тому випадку, якщо кілька поколінь предків комахи жили в повній темряві і, зрозуміло, ніяких ритмів активності не проявляли.

Це означає, що добовий ритм, а отже і те, що ми називаємо почуттям часу, зовнішніми факторами лише включається або вимикається.

Багато біологів вважали, що механізм почуття часу знаходиться в мозку , Який синхронізує всі внутрішні процеси. Можливими центрами почуття часу вважалися різні ділянки мозку. Якщо їх видалити, деякі ритми дійсно порушуються, але в той же час інші продовжують існувати. Значить, віддалені частини мозку контролюють роботу того чи іншого органу або частини тіла, але не обов'язково їх ритм.

Була ще одна трудність: вчені не знали, скільки в організмі біологічного годинника - одні або декілька. І якщо їх багато, то як вони діють: незалежно один від одного або узгоджено? Щоб з'ясувати це, американський фізіолог Дженет Харкер провела оригінальний експеримент. Намагаючись пояснити такий факт, як відновлення коротким спалахом світла відразу великої кількості різних ритмів життєдіяльності, вона припустила, що кожен такий ритм управляється своїми біологічними годинниками та що між окремими механізмами біологічного годинника існує хімічна гормональна зв'язок .

Якщо це так, міркувала вона, то гормонами з одного організму можна спробувати впливати на ритми життєдіяльності іншого. Намагаючись переконатися в цьому, Дж. Харкер зростила спинами двох тарганів так, що кровоносна система у них стала загальною. Один з цих тарганів все життя провів при постійному освітленні і не виявляв відчутного ритму активності. Інший же був привчений до Дванадцятигодинний дня і дванадцятигодинним ночі.

«Сіамських близнюків» помістили в камеру, де весь час горіло світло. Спостереження за комахами показали, що у таргана, організм якого раніше не виявляв ніякої ритмічності, з'явився чіткий добовий ритм день - ніч. Значить, гормони впливають на ритми життєдіяльності. Після тривалих пошуків у таргана вдалося знайти джерело цих гормонів. Їм виявилися особливі клітини в нервових вузлах комахи.

Якщо їх видаляли у одного комахи і пересаджували іншому, то у того встановлювався такий же ритм життєдіяльності, як і у першого. Це доводило, що саме ці клітини відіграють роль автономного годинникового механізму.

Незабаром вдалося розробити дотепний спосіб зупинки такого годинника. Була створена апаратура, що дозволяє регулювати температуру нервових клітин всередині організму, але не впливає на температуру навколишніх тканин. Коли їх охолодили до 0, годинник зупинився.

Переконалися в цьому так. Через деякий час клітини відігріли, видалили їх з організму і пересадили в організм іншої комахи. Потім виміряли у нього ритм життєдіяльності. Він запізнювався в порівнянні з нормальним на стільки часу, скільки тривало охолодження клітини.

Цікаво, що зупинка одних біологічного годинника в організмі не тягне за собою повного зникнення відповідного ритму активності. Це можна пояснити лише тим, що кожен ритм регулюється не одними біологічним годинником, а двома або навіть кількома, які дублюють один одного.

У ГОДИННИКОВОЇ МАЙСТЕРНІ

Знаючи, що від правильного ходу біологічного годинника залежить безліч фізіологічних процесів в організмі, вчені задумалися над тим, що трапиться, якщо годинник зіпсуються: почнуть поспішати або відставати, або будуть працювати несинхронно з іншими?

Після того як був відкритий нервовий механізм годинника, стало можливим навмисно виводити його з ладу, зупиняти і знову пускати в хід. Це дозволило глибше вивчити властивості біологічного годинника і зробити ряд цікавих відкриттів. Найбільш важливе з них пов'язано з наслідками неузгодженого ходу годинника в організмі.

Досвід проходив так. Групу тарганів витримували на світлі вночі і в темряві днем ​​доти, поки їх годинник не стали відставати помітно від годин комах, поміщених в нормальні для них умови освітленості. Різниця складала кілька годин. Потім годинник комах з порушеним режимом переносили в організм контрольних. Тепер ритм їх життєдіяльності регулювався двома різними механізмами - своїм годинником і чужими.

Через деякий час у цих тарганів стали розвиватися злоякісні пухлини типу ракової. Так як хід біологічного годинника зв'язується зараз з виділенням гормонів, утворення пухлин було викликано, мабуть, ненормальним вмістом цих гормонів в крові. Цікаво, що у контрольних комах, яким пересадили годинник, що йдуть синхронно з їх власними, ніяких пухлин не було, хоча і в їх крові була підвищена концентрація гормонів. Судячи з цього, справа не просто в кількості гормонів, а в тому, скільки їх виділяється в кров в той чи інший момент часу.

Експерименти ставили на тарганів тому, що нервова система у них влаштована порівняно просто. Однак механізм біологічного годинника у них працює приблизно за тим же принципом, що у всіх тварин і людини. Знання цих принципів представляє не тільки теоретичний, а й величезний практичний інтерес.

Американський вчений Ріхтер висунув цікаву гіпотезу, яка пояснює причини ряду хвороб. Він передбачає, що в організмі людини велика кількість біологічного годинника, які зазвичай йдуть не в фазі один з одним, але синхронно. У певних умовах, викликаних діяльністю мікробів або вірусів, перевтомою, психічними травмами, ця синхронність порушується. Різні годинник починає йти в одній фазі, змінюється звичний гормональний ритм, що і викликає в організмі розлади.

Зараз ще важко сказати, прав Ріхтер чи ні. Але, можливо, коли-небудь лікарі зможуть, штучно регулюючи хід біологічного годинника у людини, лікувати і попереджати різні хвороби. Уже зараз намічається цікавий метод боротьби з інфекційними хворобами. Справа в тому, що токсичні властивості ряду бактерій і вірусів змінюються ритмічно відповідно до ходом їх біологічного годинника. Можливо, простіше зіпсувати цей годинник, ніж вбити бактерію або вірус.

Хто знає, чи не з'являться в майбутньому «лікарі-годинникарі» - фахівці з біологічним годинником людини, які стануть їх лагодити в нашому організмі, регулювати хід або навіть замінювати їх іншими, справними, може бути, навіть ... видаючи на них відповідну гарантію!

Автор: В. Ковалевський.

PS Якщо вам сподобалася наша стаття про біологічні годинах в природі, то можливо вам також буде цікаво почитати про особливі квітковому годиннику великого шведського натураліста Карла Ліннея на сайті http://vremyaletit.ru/sdelaj-sam/chasy-na-dache/26-tsvetochnye-chasy .