Живые часы - Ритчи Уорд

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.

Почему Браун выбрал именно картофель? По целому ряду причин. Прежде всего, ему хотелось изучать ритм такого физиологического процесса, который был бы общим для всех живых организмов; не изменение окраски краба или открывание створок устричных раковин, а процесс, свойственный всем животным и растениям. Кроме того, он хотел найти организм, который считался бы неинтересным с точки зрения ритмической активности. Если бы удалось показать, что даже такой организм обладает ритмами, тогда существование аналогичных ритмов в более активных с этой точки зрения организмах было бы несомненно вероятнее. Картофель удовлетворял обоим требованиям.

Одним из показателей физиологической активности картофеля (как, впрочем, и любого другого организма) является уровень обмена веществ. Браун проводил свои эксперименты в условиях постоянной темноты, так что фотосинтез исключался, а обмен ограничивался очень медленным окислением, которое сопровождается поглощением кислорода.

В качестве экспериментального материала он использовал вырезанные из клубня картофеля короткие цилиндрики с одиночным глазком сверху. В темноте из этого глазка развивались бледные болезненные ростки, но, поскольку цилиндрик содержал большой запас питательных веществ, жизнь такого ростка какое-то время поддерживалась даже в герметически закрытом контейнере.

Если Суини измеряла объем кислорода, выделяемого при фотосинтезе, то Браун измерял объем кислорода, поглощаемого при дыхании. И в том и в другом случае дело касалось ничтожно малого количества кислорода. Приходилось вести утомительно долгие наблюдения за еле заметными изменениями показаний очень чувствительных приборов.

Рис. 48. Уровень обмена веществ картофеля, заключенного в герметически закрытые контейнеры, и кривая изменения атмосферного давления в те же дни.

Преодолев все трудности эксперимента, Браун открыл поистине удивительные ритмы. Помимо ожидаемого строго 24-часового ритма обмена веществ, он обнаружил нерегулярные колебания, связанные с изменениями атмосферного давления. Более того, оказалось, что кусочки картофельных клубней могут на два дня опережать показания барометра, даже тогда, когда находятся в герметически закрытых контейнерах!

Чтобы прийти к такому заключению, ему приходилось изо дня в день следить за скоростью обмена веществ у картофеля по объему поглощаемого кислорода, а затем сравнивать изменения в скорости обмена с изменениями атмосферного давления.

Вот как он сам пишет об этом:

«Результаты месячного изучения ритма обмена веществ картофеля представлены на рис. 48. Обратите внимание на то, что картофель изменяет скорость своего обмена веществ обратно пропорционально изменению атмосферного давления (нижняя кривая), но опережая его в среднем на два дня. И действительно, все живые организмы, изучавшиеся в нашей лаборатории в течение последних трех лет, — от морских водорослей до крыс — обнаружили способность предсказывать изменение атмосферного давления обычно на два дня вперед».

Кроме того, Браун установил четкую зависимость между уровнем обмена веществ и временем месяца или года. Измерив скорость обмена веществ у манящего краба, он показал, что суточный ритм животного меняется обратно пропорционально интенсивности падающих на Землю космических лучей.

Поистине удивительные вещи открыл Браун в этой дотоле неизведанной области!

Эксперименты Брауна позволили ему предположить, что на биологические ритмы воздействует какой-то геофизический фактор. Подозрение, естественно, пало на магнитное поле Земли. Брауну удалось показать, что морские улитки Nassarius могут воспринимать изменения даже такого слабого магнитного поля, как магнитное поле Земли. Вот как пишет об этом М. Гокелен, долгие годы изучавший зависимость между космическими и биологическими явлениями.

Наблюдения проводились над относительно быстро ползающей улиткой Nassarius obsoleta, обитающей на топких берегах Новой Англии. Постановка эксперимента была простой, но оригинальной. Улиток помещали в специальный садок с двухсантиметровым слоем воды, из которого они могли выползать лишь через узкую горловину и только по одной. Выход всегда был направлен к южному магнитному полюсу. Выползали они на круглую площадку, лишенную каких-либо ориентиров и поделенную на секторы. Было прослежено за выходом 33 000 улиток. Одни из них поворачивали влево, другие — вправо, третьи двигались прямо. Когда исследователи провели статистический анализ выбора улитками направления, они обнаружили, что это направление определенным образом связано со временем суток. Ранним утром моллюски ползли преимущественно прямо, в другое время суток, как правило, влево. Некоторые составляющие магнитного поля Земли также изменяются в течение дня. Продолжая свои эксперименты летом 1959 года, Браун и его сотрудники открыли, что ритм ориентации моллюсков зависит также от фазы лунного месяца.

И хотя Браун ничего не сообщил о влиянии колебаний магнитного поля Земли на временные параметры поведения улиток или какого-либо другого организма, он совершенно четко показал, что улитки чувствуют такие поля. Если это так, то они могут воспринимать действие и каких-то других, пока еще не открытых геофизических факторов.

Рис. 49. Направление пути улитки Nassarius зависит от положения Солнца или Луны. Если увеличить силу магнитного поля, в котором находится улитка, кривизна ее пути увеличивается. Изменение направления ее движения показано стрелками.

Как же узнать об их существовании? И какие эксперименты позволят выяснить природу этих факторов?

Логичнее всего найти среду, в которой влияние таких факторов отсутствовало бы. А что, если, подобно тому как де Мэран изолировал свои чувствительные растения от света, поместив их в темную комнату, изолировать кусочки клубней от факторов, действующих в условиях земного окружения, отправив их на околоземную орбиту или, еще лучше, в далекий космос?

Блестящая мысль! А как же получить тогда информацию о ритмах картофеля, например о ритме его общего обмена? Ведь тогда потребуется респирометр с устройством, посылающим на Землю радиосигналы. Передача радиосигнала не представляет затруднений, а вот с респирометром дело обстоит гораздо хуже. Для исследований в условиях невесомости необходим респирометр, работа которого была бы основана на совершенно новом принципе.

Как Браун оценивает современное состояние проблемы живых часов?

«Прежде всего, — говорит он, — нужно признать, что в последние годы открыто слишком много явлений, чтобы все их можно было объяснить одним только внутренним ритмом.

Вполне возможно, что наступит время, когда мы сможем установить существование автономных временных механизмов, соответствующих некоторым или всем кален-дарно-часовым периодам. И все же время, когда наблюдаемые свойства биологических ритмов можно было объяснить исключительно за счет эндогенных механизмов, определенно миновало. Данные, которыми мы располагаем, приводят нас к выводу, что регуляция солнечно-лунных часов жизни имеет двойственную природу, то есть зависит от регуляторов и внутренних и проникающих извне».

Такую точку зрения разделяют далеко не все современные биологи, и Фрэнк Браун это прекрасно понимает.

16. Живые часы на Южном полюсе

Теплым осенним вечером 1957 года Карл Хамнер, профессор ботаники Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе, встретился со своим учеником Джеймсом Финном.

Вспоминая этот вечер, Хамнер рассказывал мне, какой бурной была их беседа с Финном, и я в который раз поражался тому, сколь неожиданны подчас пути возникновения научных идей. «До сих пор, — говорил Хамнер, — мы не можем вспомнить, кому первому из нас пришла в голову эта мысль; да это, собственно, и безразлично».

Сама проблема и идея ее разрешения касались следующего: имеют ли живые часы внутреннюю природу или работа их зависит от постулируемых профессором Брауном неизвестных геофизических факторов.