Биоритмы человека

В экспериментах на одноклеточной водоросли Conyaulax было получено

одно из первых, хотя до сих пор непризнанных, свидетельств четной

подстройки. Одновременно или несколько раньше аналогичные данные были

получены на обыкновенной плодовой мушке Drosophila pseudoobscura в

лабораториях в Принстоне.

С начала ХХ века плодовые мушки стали самым подробно изучаемым

многоклеточным организмом на планете. В настоящее время составлен огромный

каталог ее мутантов – незаменимый инструмент в руках исследователя. Такой

инструмент совершенно необходим: всякий критический эксперимент нуждается в

тщательном контроле, без которого эксперимент вряд ли будет однозначным. До

тех пор пока биолог-экспериментатор не поставит вопрос абсолютно точно,

Природа будет отвечать уклончиво. Использование генетических маркеров

позволяет создать необычайно однородную популяцию исследуемых организмов.

Изучая мутантов с различными нарушениями зрения, проводя искусственный

отбор линий мух с измененным периодом часов или необычной чувствительностью

к температуре, биологи уже продвинулись так далеко, что выделили,

клонировали и картировали гены, контролирующие развитие циркадианных часов.

Зачатие плодовой мушки происходит обычным путем. Оплодотворенное яйцо

развивается, и из него вылупляется крошечная личинка. Затем в жизненном

цикле всякой мухи наступает стадия, когда личинка должна превратиться в

половозрелую крылатую особь. На время этого превращения насекомое

укрывается в толстой коричневой капсуле – это закованное в панцирь существо

называется куколкой. Внутри оболочки каждой куколки почти все личиночные

органы растворяются и образуют жидкую массу, из которой заново строится

тело взрослой особи. Только мозг остается неизменным, и в нем продолжают

тикать циркадианные часы. Наконец, приходит срок, когда самка должна

выбраться на волю, опробовать свои крылья и подыскать себе партнера. Самка

раздувает на голове маленький пузырек и выталкивает «крышку-люк» – выход из

оболочки. Через несколько минут она на свободе. В естественных условиях, а

также в лаборатории при чередовании 12 часов света 12 часов темноты это

событие – вылупление взрослой особи - происходит в первые светлые часы.

Момент вылупления задают циркадианные часы. Куколка с каждым днем

все более созревает, готовясь к моменту, когда она выйдет на свет и

вступит в конкурентную борьбу. Эта готовность, нарастающая изо дня в день,

зависит также еще одного фактора – времени суток предпочтительного для

вылупления. Мушке нет смысла появляться, когда день уже кончился или

подставлять свое нежное влажное тельце зною дня. Целесообразнее всего

появиться рано поутру. Это можно обеспечить внутренний ритм – повышая или

понижая порог готовности.

Если изменения порога не велики, мушки все равно будут вылупляться в

любое время циркадианного цикла, но в одно время с большей вероятностью,

чем в другое. Если же порог изменяется в широких пределах, если в некоторые

часы он поднимается быстрее, чем нарастает готовность, то в эти часы не

появится ни одна мушка. В зависимости от возраста зреющей куколки она

присоединяется к той или другой кучки вылупляющихся, но никогда не начнет

вылупление в промежуточные часы. Появления мушек будут распределены во

времени дискретными пачками – это распределение отражает работу часов,

задающих ритм изменения порога.

25

У эмбрионов плодовой мушки циркадианные часы не включаются сами собой

автоматически. Если с момента зачатия мушки находятся в постоянной темноте,

момент вылупления определяется возрастом и совершенно не зависит от времени

суток. Если популяция состоит из особей разного возраста (в пределах

нескольких дней), то моменты отдельных вылуплений образуют плавное

распределение, охватывающее несколько дней, без признаков ежедневного

сгущения и разрежения. Но если на этапе раннего развития будет подан какой-

либо сигнал времени, то через несколько дней вылупление будет происходить

«кучно», раздельными пиками, отстоящими друг от друга на 24 часа. Одиночная

вспышка света, например, запускает часы у всех эмбрионов. Их 24-часовой

период – врожденный, генетически запрограммированный. Но у мутантов этот

период может составлять, например, 19 часов.

При таких условиях содержания состояние внутренних часов чутко

реагирует на малейшие вариации температуры, на самую незначительную

засветку. Если личинки содержать при постоянном освещении, то оно остановит

ход часов, даже если они были пущены. Оказывается, часы дрозофилы не

замечают красного и желтого, – но голубой, даже такой слабый, как лунный

свет, сразу подавляет циркадианные колебания. В лабораториях для этого

используют яркие лампы дневного света. Если куколок, выращенных на свету,

перенести в красную или желтую темноту, все часы разом, одновременно

возобновят ход и будут тикать синхронно. Примерно через 17 часов наступит

пик массового вылупления, потом еще через 24 и так далее, пока не созреют

самые молодые куколки. Однако даже кратковременная вспышка света,

прорезающая вечную ночь, способна сдвинуть все последующие пики вылупления

– как будто свет вызывает подстройку внутренних часов, переводя их из

какой-то старой фазы, на которую пришлась вспышка, в некую новую. Эту новую

фазу легко оценить, экстраполируя последующий ритм выступлений назад, к

моменту начала вспышки света.

В экспериментах с дрозофилой подстройку фазы вызывают на ранней

стадии развития у куколок. Специальный аппарат, способный на протяжении

нескольких недель регистрировать появление мушек, позволяет наблюдать

моменты. Когда циркадианные часы оказываются в нулевой фазе (вылупление), а

следовательно, вычислять фазу в любое время, поскольку период часов

составляет 24 часа. Таким образом, можно установить, на сколько, например,

сдвинулась фаза часов под влиянием светового импульса, приложенного за

несколько дней до момента вылупления.

При первых поисках сигуляции биологических часов в экспериментах,

организованных по схеме «ловушки сингулярности», было использовано более

500 чашек Петри – применялось воздействие светом разной длительности и в

разное время. Постоянно регистрировалось время выступленья, а по нему

оценивалась новая, подстроенная, фаза ведущего циркадианного ритма. Во всех

чашках наблюдалось по несколько пиковых мушек – каждый день по одному, в

одно и то же время по показаниям внутренних часов. Первый пик составили

самые старшие в группе особи. Их младшим сестрам понадобилось еще

несколько дней, чтобы завершить созревание и подготовиться к «выходу на

свет», который состоялся по такому же сигналу того же самого циркадианного

ритма.

Когда все полученные пики вылупления – около полтура тысяч – были

изображены в виде точек на кристалле времени, получился полностью

законченный трех мерный график зависимости новой фазы от величены стимула

и старой фазы.

Что это за поверхность, на которой лежат экспериментальные точки?

Ближайшие к нам изображены в виде крупных шестигранников, самые удаленные

– в виде крошечных. Красная линия отмечает границу поверхности внутри двух

соседних единичных ячеек. Проследим за диагональю «новая фаза = старая

фаза» снизу вверх на ближайшей к нам плоскости, при стимуле нулевой

длительности для все более старой фазы. Это нечетный тип подстройки.

Дойдем до рефрактерной фазы, когда часы невосприимчивы к любому количеству

света. Если в этой точке свернуться с диагонали в глубь, то по мере

увеличения стимула вплоть до максимума экспериментальные точки будут

встречаться на прежней высоте. (Существование такой точки

26

рефрактерности - нечувствительности – не является логической

необходимостью, и в других случаях ее может не быть. Впрочем, постоянство

новой фазы на боковых стенках, стенках кристалла времени не играет роли в

наших рассуждениях.) Далее, при максимальной величине стимула на задней

стенке кристалла, двигаясь справа налево на один цикл старой фазы, видно,

что точки поднимаются и опускаются вокруг горизонтали. Волнистая

поверхность четный тип подстройки. Здесь, на один цикл раньше той точки, от

которой мы свернули вглубь, мы окажемся в той же самой нечувствительной

фазе. Теперь будем уменьшать величину стимула при постоянной старой фазе:

на этом пути возвращения из глубинны кристалла новая фаза, остается не

изменой. Так мы вернулись в точку, лежащую на один цикл выше точки старта.

При этом мы обошли одну полную единицу ячейку кристалла времени совершив

восхождение по одному витку спирали. Облако экспериментальных точек

определило винтовую поверхность.

Это весьма примечательно. Обходя единичную ячейку, мы наблюдали только

результат экспериментов, в которых воздействие не дает никакого эффекта,

плюс серия опытов с такими сильными стимулами, что результат подстройки

ритма всякий раз оказывался практически одинаковым. Трудно поверить, что

столь поверхностное исследование поведения часов, столь бледные

результаты могут таить в себе семена чего-то необычного. Однако

биологические часы, как заметил однажды Г. К. Честертон по другому поводу,

«кажутся математически правильными, чуть более точными, чем они есть на

самом деле. Их точность очевидна, а неточность скрыта. Их беспорядочность

ожидает в засаде». Неизбежный вывод (собственно, ради него были затеяны

эксперименты) состоит в том, что спиральная граница принадлежит винтовой

поверхности, а винтовая поверхность должна содержаться где-то внутри себя,

вдали от стимулов, дающих гладкую пограничную линию, некую особую ось. Ось

этой винтовой поверхности – вертикальная линия, вдоль которой высота

поверхности становится не определенной. На горизонтальном «полу» кристалла

эта ось имеет проекцию – особую точку, уникальный стимул, некое сочетание

момента и длительности воздействия светом. Что же произойдет при действие

такого стимула?

Прежде всего, что это за стимул? Если яркость голубого света такова,

что при нем едва можно читать, то длительность экспозиции – около минуты.

Свет надо дать около полуночи в обычном суточном цикле, то есть тогда,

когда в природе света очень мало. Дикая дрозофила в этот час может увидеть

лишь лунный свет: полная экспозиция в течение нескольких минут могла бы

составить сингулярный стимул, но для маленькой куколке, скрытой под

листьями или зарытой в песок, шансы такой засветки малы. Даже если бы это

случилось именно в уязвимое фазе, дневной свет полностью перекрыл эффект

сингулярного стимула.

Однако в XX веке подобные лабораторные организмы порой попадают в

необычные условия, невозможные в природе. Их циркадианные часы,

изолированные е от внешних сигналов времени, предаются свободному бегу –

при этом они доступны и открыты действию исследуемых стимулов и наше

любопытному взору. Что будет с чашечкой «куколок» после воздействия

сингулярного стимула? Оказывается, последующее циркадианное поведение

становится неопределенным вполне естественно, как и предсказывает винтовая

поверхность подстройки фазы. Однако вероятны взаимно исключающих способов

реализации такой неопределенности. Может быть, куколки погибнут, не дожив

до их вылупления? Или они по прежнему будут вылупляться в виде суточных

пиков, но положение этих пиков во времени будут не предсказуемым? На самом

деле ни то ни другое. Просто вылупление происходит непрерывно. Начиная с

момента сингулярного стимула до тех пор, пока какой-либо другой сигнал не

даст покоящимся куколкам точку для отсечение времени, они остаются как бы

вне времени, будто ждут толчка, который бы подтолкнул, запустил их стоящие

часы. И в случае, когда часы ни разу не получали стимула с самого момента

зачатия, и в случае, если такой стимул ранее обеспечил ритмичность, а

затем другой, сингулярный, вновь приостановил ее, - картина одна: у каждой

дрозофилы циркадианные часы не идут. В таком состояние отдельные особи

выходят из метаморфозы в любой час суток, совершенно не ритмично.

27

Более того, если за тем восстановится циркадианный режим вылупление вторым

импульсом света, то новая фаза совсем не будет зависеть от времени подачи

этого второго стимула: всякий раз будет одна и та же фаза, как будто

между двумя стимулами не прошло никакого времени, то есть если бы первый

стимул по величине равнялся сумме двух. Получив первую дозу, циркадианная

система куколке сразу замирает и далее продолжает «скучать» в ожидание

новое порции света.

Таким образом, полученная в опыте поверхность подстройки фазы похожа на

чудесную снежную гору с бесконечным спуском-серпанитинном, по которому

хочется мчаться на лыжах, делая веток за витком по спирали вокруг

сингулярности.

Топографическая карта фаз не только показывает точное местоположение

сингулярности, ее ежедневное повторение, но, кроме того, еще и выделяет не

предвиденное сжатие, смещение всей картины вниз (при движение слева на

право, то есть в сторону малых величин стимула). Это означает, что позже,

после перехода из постоянного света в темноту, тот же эффект достигается

при более короткой экспозиции, при меньшей величены светого стимула. Иными

словами, чем дольше насекомое остается в темноте, тем чувствительнее к

свету остаются его часы. В течение двух-трех дней достигается двенадцати

кратная цветовая адапция: если сразу после переноса куколок с непрерывного

света в темноту световые импульсы воспринимают слабо, то после двух дней

пребывания в темноте чувствительность часов возрастает настолько, что

непрерывного освещения, даже более тусклого, чем лунный свет, уже

достаточно, чтобы остановить их ход. За последнее время получены другие

подтверждения такой своеобразной аксонометрии кристалла времени, хотя

причина неизвестна. Может быть, это следствие постепенного восстановления

пигмента, разрушенного за время долгого пребывания на свету: или дело в

медленном ослабление циркадианных часов – ведь чем меньше амплитуда

колебания, тем легче их нарушить; а возможно, имеют место обе причины. Для

одних биологических видов собранно больше данных в пользу первого

объяснения, для других – в пользу второго; механизмы могут быть различными.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Дильман В. М. Большие биологические часы. Введение в интегральную

медицину. – М.: Знание,1986.

2. Малахов Г. П. Биоритмология и уринотерапия.- СПб.: АО «Комплект»,

1994.

3. Уинфри А. Т. Время по биологическим часам. – М.: Мир, 1990.

2

ПЛАН

1. Иерархия управления в организме.

2. Стресс и болезни.

3. Внутриклеточные биоритмы.

4. Суточные биоритмы:

а) Поддержание синхронности с вращением Земли.

б) Врожденные биологические часы человека

(25-часовой период).

в) Свободный ход и захватывание биологических

часов.

г) Автоматическая установка внутреннего

будильника.

5. Подстройка биологических часов.

6. Сингулярность биологических часов.

7. Кристаллы времени.

8. Список литературы.

Ярославский педагогический университет имени К. Д. Ушинского

Выполнили

студентки II курса ФИЯ

группы 421

Казакова Елена Сергеевна

и

Лундина Екатерина Павловна

Ярославль,1998.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11