Живые часы - Ритчи Уорд

Теперь можно было переходить к основному эксперименту. Суини вырастила при постоянном ярком освещении новую культуру клеток. И, поместив одиночные клетки из этой культуры в респирометр, вернулась к своим наблюдениям за уровнем поплавка.

Как будет теперь изменяться фотосинтетическая активность? Утратят ли одиночные клетки свой ритм? Будут ли случайные изменения во многих отдельных ритмах взаимно уничтожать, гасить друг друга, так что суммарный эффект популяции не покажет никакой ритмичности.

Огромное количество наблюдений, выполненных Суини, убедительно показало, что клетки в условиях непрерывного освещения ярким светом полностью утрачивают свой ритм. Никакого периодического изменения количества выделенного кислорода не обнаружилось: на рассвете оно составило две миллионных миллилитра в час, как и у клеток, содержавшихся в режиме чередования света и темноты, и больше не увеличивалось, а оставалось на этом уровне в течение 16 и более часов.

Так был получен ответ на первый вопрос Суини. Популяция клеток Gonyaulax polyedra, содержащаяся в условиях непрерывного освещения ярким светом, теряет ритм фотосинтеза, и это исчезновение видимых ритмов отражает не потерю синхронности, а потерю ритма каждой клеткой в отдельности.

15. Таинственные регуляторы времени

Фрэнк А. Браун, профессор биологии Северо-западного университета, занимает позицию, диаметрально противоположную позиции большинства ученых, изучающих биологические ритмы.

После получения степени доктора зоологических наук в Гарвардском университете Браун работал некоторое время в научно-исследовательском биологическом центре на Бермудских островах. Там он впервые непосредственно наблюдал два совершенно удивительных примера биологических ритмов: появление с точной месячной периодичностью стай бермудской креветки и скоплений атлантического светящегося червя. Самым замечательным в этих явлениях была их приуроченность к определенным фазам Луны. Таким образом, сама природа этих ритмов существенно отличалась от суточных или околосуточных ритмов, которые владели мыслями большинства исследователей.

После пребывания на Бермудских островах Браун еще несколько лет занимался изучением эндокринной системы ракообразных, но мысли о загадочности биологических ритмов не оставляли его. В конце концов он целиком переключился на исследование зависимости биологических ритмов от периодических изменений геофизических параметров.

Целью самого первого из поставленных им экспериментов было выявление зависимости ритмов у животных от температуры. Результаты аналогичных исследований Дж. Уэлша из Гарвардского университета и О. Парка из Университета штата Иллинойс вызывали у Брауна большие сомнения. По данным этих исследователей, свойственные организмам (различным ракообразным и насекомым) ритмы сохраняются при переносе животных из естественной внешней среды в условия постоянной температуры.

Браун предложил своей сотруднице М. Уэбб проверить результаты Уэлша и Парка. Животным, которое они избрали для экспериментов, был маленький манящий краб Uca. Тысячи особей этого краба повсюду копошатся на прибрежных отмелях, издавая звук, напоминающий шелест бумаги. В обычных условиях Uca обнаруживает регулярное ритмическое изменение своей окраски. Днем он темнеет, а ночью становится светлым. Степень изменения его окраски можно измерить обычными лабораторными методами.

Браун и Уэбб начали с гипотезы, что крабы должны подчиняться правилу Вант-Гоффа, согласно которому при повышении температуры скорость химической реакции непременно увеличивается, а при снижении — замедляется. Если это так, то частота ритмического изменения окраски крабов должна удваиваться, утраиваться и т. д. при повышении температуры на каждые 10 °C или соответственно снижаться при аналогичном снижении температуры.

Исследователи проверяли ритмы большой популяции крабов, выдерживаемых в течение длительного периода времени при 16 °C. Сначала крабов содержали в условиях нормального чередования дня и ночи, а затем — в постоянной темноте. Температура в обоих случаях была одной и той же. Как и следовало ожидать, ритмы в условиях непрерывной темноты сохранялись, но удивляла точность, с которой крабы выдерживали 24-часовой цикл изменения окраски.

«Выбор манящего краба в качестве экспериментального объекта оказался для нас столь же удачным, как для Менделя выбор растений гороха в его экспериментах по изучению механизмов наследственности, — писал Браун. — Ритм этого краба не является циркадным, то есть близким к 24 часам. Он равен 24 часам, то есть имеет строго суточную периодичность».

После этого Браун и Уэбб повысили температуру содержания крабов с 16 до 26 °C. Увеличится ли теперь в соответствии с правилом Вант-Гоффа скорость изменения их окраски? Затаив дыхание, записывали они одно измерение за другим, но никаких изменений в длительности периода обнаружить не смогли. Он точно сохранял свой 24-часовой цикл. Правда, густота окраски крабов с повышением температуры увеличивалась, но ритм оставался прежним. Потом они снизили температуру до 6 °C, но ритм тем не менее сохранил точную 24-часовую периодичность.

Предвидя критические замечания (измерения проводились при слабом освещении), Браун поставил контрольные опыты, которые показали, что ритм изменения окраски крабов при той же температуре в условиях полной темноты абсолютно синхронен с ритмом животных экспериментальной группы.

Поскольку при измерении окраски могли вкрасться отдельные ошибки, Браун и Уэбб статистически обработали полученные данные, но не выявили никаких отклонений от 24-часовой периодичности цикла.

Помимо поразительно точного 24-часового ритма изменения окраски, Браун и Уэбб обнаружили у манящего краба еще один ритм — ритм двигательной активности, но связанный с Луной, а не с Солнцем. Во время отлива крабы спускаются к воде и обследуют отмель в поисках пищи, во время прилива наоборот — поднимаются выше по берегу и отдыхают. За исключением некоторых местных отклонений приливы чередуются в соответствии с лунными сутками, составляющими 24 часа 50 минут, так что манящие крабы живут и по лунным часам.

Сохранят ли крабы этот свой распорядок в постоянных условиях лаборатории? Результаты тщательно контролируемого эксперимента показали, что крабы сохраняют этот ритм и в постоянных условиях.

Ответ на один вопрос немедленно поставил перед исследователем несколько других. Что будет, если какое-нибудь существо, жизнедеятельность которого связана с приливами и, следовательно, с фазами Луны, перенести в другое место, где время приливов (если бы они там происходили) заметно отличается от привычного для него?

Сохранится ли у этого существа такой ритм, которому оно следовало на родном берегу, или он сдвинется во времени?

Поскольку лето Браун обычно проводил в Морской биологической лаборатории Вудс-Холла, он легко мог заполучить любое нужное ему существо, поведение которого зависело бы от ритма приливов. Он выбрал устрицу: ей свойствен четко выраженный приливной ритм, и кроме того, за ней удобно наблюдать, поскольку она не бегает по берегу, как краб.

Результаты этого эксперимента были изложены следующим образом:

Устрицы, собранные на отмели в Нью-Хейвене (штат Коннектикут), были перевезены в темном резервуаре в Эванстон (штат Иллинойс). Там их положили в лотки с морской водой и поставили в темную комнату. Первые дни они продолжали максимально раскрывать свои раковины во время наивысшей фазы прилива в Нью-Хейвене. Однако к концу второй недели устрицы изменили свой ритм и стали максимально открывать раковины, когда Луна находилась в зените и надире для Эванстона. Вновь установившееся расписание они сохраняли целый месяц, в течение которого велись эти исследования. Положения Луны в зените и надире — противостоящие положения Луны — соответствуют периодам наибольшего приливного воздействия Луны, которое проявляется в максимальных атмосферных приливах в Эванстоне. Этот же гравитационный эффект определял бы здесь максимальную высоту и океанских приливов, если бы Эванстон находился на берегу моря.

И вновь результаты этого эксперимента послужили для Брауна источником новых проблем. Являются ли так называемые постоянные условия, при которых они изучают организмы, действительно постоянными? Если они непостоянны, если на организм воздействует какой-то периодически изменяющийся неизвестный фактор, то какие ритмы возникают при этом?

О природе этого неизвестного пока еще фактора можно было бы сделать по крайней мере несколько предположений. Обратимся к факторам, связанным с окружающей организм средой, то есть к факторам, цикличность изменения которых может определяться периодичностью влияний окружающей среды. К таким очевидным влияниям можно отнести суточные, лунно-приливные, лунные и годовые циклы. Удивительно, что биологическое действие большинства этих циклов никогда подробно не исследовалось. Решение восполнить этот пробел привело Брауна к длиннейшей серии экспериментов, которые заняли у него более десяти лет и были выполнены на одном-единствен-ном организме — картофеле.