Живые часы - Ритчи Уорд

Рис. 43. Поперечный разрез подглоточного ганглия таракана. Видны четыре нейросекреторные клетки (1), связанные с ритмом двигательной активности.

«Я потратила почти три года на прижигание мельчайших участков подглоточного ганглия высокочастотным каутером, пока не нашла наконец четыре нейросекреторных клетки, которые играют важную роль в поддержании ритма двигательной активности[17].

Поскольку эндокринные органы можно пересаживать в кровоток других тараканов, я смогла убедиться, что эти клетки действительно ответственны за выделение гормона в определенные промежутки времени. Сохранение тараканами ритмики не зависело от целостности нервных связей».

Теперь она знала, где находятся у таракана его часы. Но что заставляет их работать? Можно ли приписать этим клеткам роль механизма, регулирующего ход ритма?

Один из способов узнать, как работает тот или иной механизм, заключается в том, чтобы разрегулировать его и посмотреть, что из этого выйдет. Но живые часы трудно разрегулировать. Необходимо найти физиологический способ нарушения их ритма.

Оставалось подвергнуть животное одновременному действию двух часов, не совпадающих друг с другом по фазе. Это должно было, по мнению Харкер, оказать на животное такое действие, как если бы его часы заработали неверно. Эксперимент был исключительно долгим, и проводился в три этапа.

Сначала надо было выяснить, будут ли работать пересаженные часы, и если да, то будет ли новый хозяин реагировать на время, указываемое ими. Иными словами, можно ли восстановить чувство времени у аритмичного таракана с помощью часов, пересаженных из организма ритмически активного таракана?

С этой целью Харкер соединила двух тараканов, поместив одного из них на другом. Нижний, аритмичный таракан мог двигаться совершенно свободно. У верхнего, с четким нормальным суточным ритмом, Харкер удалила ноги, кроме того, она так закрепила его тело, чтобы оно оставалось совершенно неподвижным. Взаимосвязь между насекомыми была возможна только через кровоток. В этих условиях нижний таракан немедленно принял ритм верхнего и начал бегать по его расписанию; следовательно, он отвечал на сигналы, поступающие в его организм через кровоток.

На следующем этапе исследований Харкер пересаживала в брюшко аритмичного обезглавленного таракана подглоточный ганглий нормального насекомого. Активность животного с пересаженным ганглием становилась ритмичной, этот ритм по фазе соответствовал ритму таракана-донора и сохранялся в течение нескольких дней. Таким образом, стало совершенно ясно, что даже нарушение нервных связей в организме таракана не мешает нейросекреторным клеткам подглоточного ганглия секретировать в определенном ритме.

Заключительный этап эксперимента состоял в том, чтобы полностью вывести из равновесия часовой механизм насекомого. Но прежде попытаемся разобраться в следующем. Если тараканов поместить в обратный цикл суточного чередования света и темноты, они в конце концов заучивают его и начинают бегать на рассвете, когда свет выключают, и успокаиваются вечером, когда его включают. Иначе говоря, в Англии они бегают по новозеландскому времени. Поэтому для того, чтобы подвергнуть одно животное действию сразу двух часов, расходящихся по фазе, логично пересадить нейросекреторные клетки новозеландских тараканов кембриджским.

Но сначала Харкер должна была выполнить обычный контрольный эксперимент. Можно ли вообще пересадить единичные клетки одного таракана другому? Харкер сделала это, естественно, сначала на тараканах с нормальным циклом суточной активности, обнаружив при этом, что проведенная ею операция не причиняла им вреда. С донорскими часами, которые работали так же, как их собственные, насекомые вели себя нормально.

Наступило время для решающего эксперимента. Харкер взяла нормальных, кембриджских тараканов и пересадила им «часовые» клетки от тараканов, которые были активны по новозеландскому времени. Что же случилось с насекомыми? Одни клетки говорили сбитым с толку животным, что сейчас день, а другие утверждали, что наступила ночь. Тараканы подверглись настолько сильному внутреннему потрясению, что у них катастрофически быстро развились опухоли в кишечнике и они погибли.

Почему двое часов, работающих вразнобой, вызвали столь сильное потрясение в организме животных? Почему такой стресс привел к развитию опухолей? И это ли было причиной их возникновения? Если события следуют одно за другим, это вовсе не значит, что одно из них является следствием другого. Проблема установления причинных связей является одной из наиболее трудных в биологии. А получить полный ответ на то, что происходит в организме при сбившихся с ритма часах, еще труднее, поскольку нужны аналогичные эксперименты с другими животными. Но этого пока сделать нельзя, поскольку ни в каком другом животном, кроме таракана, местоположение часов еще не обнаружено. Правда, по мнению Харкер, несколько ученых, работающих с млекопитающими, уже подошли к успешному разрешению этой задачи.

Делая обзор работы Харкер, Клаудсли-Томпсон сказал: «(Ее) наблюдения за тем, как у нормальных тараканов развиваются опухоли средней кишки после пересадки им подглоточных ганглиев от насекомых, содержавшихся при обращенном режиме освещения, могут оказаться крайне важными для изучения болезней, которые возникают у человека в стрессовых ситуациях».

Овация, которую устроили Дженит Харкер участники симпозиума в Колд-Спринг-Харборе, была не единственной реакцией ученых на ее работу. Вполне естественно, что многие биологи в самых разных странах мира попытались воспроизвести ее результаты. Но это удалось далеко не всем, поэтому среди них нашлись и такие, которые поставили под сомнение достоверность ее данных. Харкер ответила тем, что, повторив свои эксперименты, воспроизвела прежние результаты.

Вот как оценивает исследования Дженит Харкер биолог Е. Мак-Робби, хорошо знакомая с ее многолетней работой:

Методы, которыми пользовались некоторые ученые, пытавшиеся воспроизвести ее работу, были слишком грубыми. Эти операции чрезвычайно тонки, они требуют хороших рук и большой практики. Бесполезно после нескольких пробных операций решать, что ничего не получится, — для отработки техники выполнения таких операций нужна постоянная тренировка на большом числе животных. Только после того, как техника освоена, операции идут успешно и животные выживают. Мне, например, известно, что в одной из попыток воспроизвести эту операцию просто игнорировали то обстоятельство, что очень близко к ганглию подходит — слюнной проток. При извлечении подглоточного ганглия проток перерезали, и из него высвобождались сильно действующие ферменты, которые разрушали клетки ганглия. Поэтому нет ничего удивительного в том, что эти попытки привели к отрицательным результатам.

Ну а что касается статистической достоверности, то по самой своей природе эксперимент с пересадкой органов отвечает либо «да», либо «нет». Уже сам положительный исход является однозначным ответом.

Наверняка пройдет еще немало времени, прежде чем биологи полностью примут и эту часть исследований Харкер. Однако, если мы правильно представляем себе общий ход развития науки, ее работа получит высокую оценку.

14. Одноклеточные часы

В конце пятидесятых годов в Скриппсовском институте океанографии профессор Беатрис Суини определила уровень обмена веществ единичного растения. Объем выделяемого им газа составлял всего миллионные доли миллилитра!

Какую цель ставила перед собой Суини, стремясь измерить объем кислорода, выделяемый одноклеточным растительным организмом? Обычно суточные ритмы измеряют для множества клеток одновременно: либо на многоклеточных растениях или животных, либо в популяциях одноклеточных организмов. Суини же хотела выяснить, совпадает ли ритм единичного одноклеточного организма с ритмом целой популяции, состоящей из очень большого числа таких организмов. Это могло бы стать первым этапом обширной программы исследований, нацеленной на более глубокое проникновение в тайну внутреннего механизма живых часов.

Выбор Суини определялся несколькими исходными условиями. Во-первых, как ботаник, она, естественно, стремилась работать с растительным организмом. Во-вторых, ее интересовала физиология биологических часов, и поэтому ей нужно было такое растение, физиологическая активность которого была бы четко связана со временем. Иначе говоря, Суини хотела ясно видеть «стрелки» живых часов. Кроме того, ей нужен был организм, физиологические реакции которого были бы обусловлены достаточно хорошо изученными биохимическими процессами. И конечно, организм этот должен был быть удобным для работы, то есть доступным и легко культивируемым в лабораторных условиях.