Живые часы - Ритчи Уорд

В те годы основной интерес ученых был направлен на изучение протекающих в живых системах биохимических реакций. Казалось вполне естественным в качестве механизма, которым пользуются растения для измерения продолжительности суток, рассматривать одну из обратимых биохимических реакций, например переход какого-либо пигмента из одной формы в другую. (По аналогии такой переход уподобляли пересыпанию песка в песочных часах.) Были даже известны две формы растительного пигмента фитохрома, содержание которых легко определялось и непосредственно в живых растениях.

Концепция песочных часов была для того времени вполне своевременной, поскольку это представление опиралось на биохимический процесс, за ходом которого можно было следить с помощью современных измерительных приборов. Она приобрела много сторонников, ее поддерживали признанные авторитеты.

Поэтому Бюннингу потребовалась изрядная доля мужества, чтобы в этой ситуации выдвинуть новую концепцию, резко противоречащую уже существовавшей.

Вот тот ряд экспериментальных данных, которые Бюннинг положил в основу своей гипотезы:

Растения определяют время года, измеряя продолжительность дневного периода суток (Гарнер и Аллард).

Ритмы растений очень точны; растения обнаруживают эти ритмы и при отсутствии временных ориентиров; хотя растения можно заставить следовать аномальным циклам чередования света и темноты, они возвращаются к нормальному циркадному ритму, как только снимается действие аномального стимула (Клейнхоонте).

Пчел можно приучить прилетать за кормом в определенное время дня, и они продолжают это делать, даже когда освещение, температура, влажность и концентрация электрических зарядов в атмосфере постоянны; пчел не удается приучить к девятнадцатичасовому циклу (Белинг). На время прилетов пчел не влияет и изменение интенсивности космических лучей (Валь).

Изменения концентрации заряженных ионов в атмосфере не влияют на суточные движения листьев, и в то же время листья точно следуют ритму, задаваемому включением красного света (Бюннинг и Штерн).

Фаза ритма движения листьев может быть сдвинута единичной световой вспышкой во время темнового периода (Бюннинг).

Четко связанный со временем суток выход дрозофил из куколок сохраняется на протяжении пятнадцати поколений мушек, содержавшихся в постоянных условиях (Бюннинг).

Исходя из этих результатов, Бюннинг сформулировал два постулата:

1. У растений существует эндогенный ритм некоторой жизненно важной функции, которая связана с началом цветения.

2. Растения используют этот ритм для измерения времени.

Сопоставив эти постулаты с результатами экспериментальных наблюдений, Бюннинг пришел к следующей гипотезе.

Рис. 28. Эрвин Бюннинг в одной из теплиц Тюбингенского университета,

За фотопериодизм цветения ответствен тот же самый временной механизм, который определяет временную последовательность движения листьев. Этот временной механизм имеет две противоположные фазы примерно двенадцатичасовой продолжительности каждая, «светолюбивую» и «темнолюбивую». Светолюбивая фаза — это фаза дневная, а темнолюбивая — ночная. Следовательно, свет, падающий на растение в течение светолюбивой фазы, будет стимулировать цветение, тогда как действие света во время темнолюбивой фазы будет его тормозить.

Обратите внимание на то, что гипотеза сама по себе не связывает эти две фазы временного механизма с поведением пчел или плодовых мушек, но уверенность Бюннинга в эндогенном характере таких временных механизмов позволила ему непосредственно связать ее и с этими наблюдениями.

Сегодня, тридцать пять лет спустя, гипотеза Бюннинга все еще не получила полного признания. Одни биологи продолжают не доверять ей. Другие приняли ее, но с некоторыми оговорками. Третьи нашли в ней новые экспериментальные подходы, заслуживающие того, чтобы обратить на них внимание. Карл Хамнер, например, сказал: «Я считаю, что моя работа, как и работа моих учеников, весьма убедительно доказывает участие эндогенных ритмов в фотопериодических реакциях организмов. Очень может быть, что наши данные подтверждают гипотезу Бюннинга»[10].

Рис. 29. Суточные ритмы цветков Kalanchoe при постоянных условиях. Цветки открываются в дневное время (вверху) и закрываются на ночь (внизу).

Но, разделившись в своем отношении к самой гипотезе, биологи все-таки полностью (за небольшим исключением) согласились с теми двумя постулатами, от которых, как мы отметили ранее, отталкивался Бюннинг.

Эти два момента настолько важны, что их стоит повторить. Во-первых, растениям (вероятно, и животным) свойственны эндогенные циркадные ритмы, то есть ритмы, которые многократно повторяются с примерно 24-часовой периодичностью. Кроме того, что наиболее важно, эти ритмы самоподдерживающиеся: организмы способны извлекать энергию из некоторого постоянного источника и использовать ее для поддержания необходимых для их существования чередующихся циклов, которые проявляются в форме ритмической активности.

Во-вторых, организмы используют такие эндогенные ритмы для измерения времени.

Вот эти-то представления и произвели сенсацию в научном мире. Сама мысль, что растение обладает часами, была слишком уж фантастической! Настолько фантастической, что потребовалось еще целых пятнадцать лет, прежде чем накопилось достаточно данных, свидетельствующих в пользу того, что птицы и пчелы ориентируются по солнцу и звездам. А такая ориентация возможна только в том случае, если у животных есть внутренние часы. Когда все это было доказано, резко возрос интерес к биологическим часам и были предприняты новые исследования самых разных организмов — от одноклеточных растений до человека.

9. Ориентация птиц по солнцу

В истории науки нередки случаи, когда исследователь, стремясь к одному результату, получал другой, иногда гораздо более важный. Однако бывает и так, что ученый находит блестящее решение именно той задачи, которую ставил перед собой, и при этом обнаруживает, что причины исследуемого явления значительно глубже, чем он предполагал.

Именно таким образом сделал свое открытие Крамер, после чего многие биологи в различных исследовательских центрах забросили свою текущую работу, чтобы присоединиться к тем, кто бился над разрешением загадки живых часов.

Густав Крамер родился в Мангейме в 1910 году и получил биологическое образование в университетах Фрейбурга и Берлина. Его первая научная работа в области физиологии низших позвоночных оказалась настолько многообещающей, что в возрасте двадцати семи лет он был назначен руководителем отдела физиологии Неаполитанской зоологической станции.

Свои всемирно известные исследования по ориентации птиц в полете он начал в Гейдельбергском университете и продолжил в Институте биологии моря им. Макса Планка в Вильгельмсхафене, расположенном на западном побережье холодного Северного моря. Наблюдая за стремительными перелетами морских птиц к местам гнездовий, Крамер размышлял над вековой загадкой перелетов, над той изумительной точностью, с которой перелетные птицы находят путь к далекой цели.

Рис. 30. Исключительный по своей дальности маршрут перелета полярной крачки.

Он дивился геройству полярной крачки, этого необыкновенного летуна, что гнездится в полутора сотнях километров от Северного полюса, а с наступлением осени пролетает над Канадой, затем над безжизненными пространствами Атлантического океана к западным берегам Африки и, обогнув мыс Доброй Надежды, остается зимовать южнее Порт-Элизабета.

Но полярная крачка не единственный пример совершенства в навигационном искусстве. Новозеландская бронзовая кукушка покрывает расстояние в две тысячи километров, летя через Тасманово море к Австралии, а оттуда еще полторы тысячи километров на север через Коралловое море к крошечным участкам своих зимовок на архипелаге Бисмарка и Соломоновых островах. Еще более удивительно, что молодая кукушка, совершая такой перелет впервые, может проделать его в одиночестве, опередив своих родителей по меньшей мере на месяц.

Окольцованная белоголовая зонотрихия возвращается из года в год на один и тот же куст в саду профессора Л. Менвальда в Сан-Жозе (штат Калифорния), пролетев три с половиной тысячи километров от мест своих гнездовий на Аляске.

Загадка столь точно нацеленных перелетов очень давно интересовала биологов, и они объясняли это по-разному. И не удивительно: проблема была исключительно сложной, а возможностей научно разрабатывать ее тогда еще не было.