Живые часы - Ритчи Уорд

Хронометрия на основе циклов. Ориентация по небесным телам и фотопериодизм

Брюс и Питтендрай считают, что возобновление интереса к циркадным ритмам, наблюдавшееся с 1950 года, вызвано главным образом классическими экспериментами Крамера и Фриша, которые открыли, что птицы и пчелы, пользуясь солнцем как компасом, могут придерживаться заданного направления в любое время дня. Перемещение солнца по небу животные компенсируют с помощью внутренних часов. Гоффман и другие исследователи показали, что часы животных работают по местному времени, в полном соответствии со световым циклом окружающей среды. Кроме того, Гоффман обнаружил, что часы скворцов продолжают действовать и при постоянном слабом освещении. Свободнотекущий период их циркадного ритма составляет около 23,5 часа.

Бюннинг почти за пятнадцать лет до исследований Крамера и Фриша связал циркадные ритмы с совершенно иным явлением — с фотопериодизмом. В 1920 году Гарнер и Аллард показали, что переход растений от вегетативного роста к цветению зависит от количества светлых часов в каждом суточном цикле, то есть от фотопериода. В 1936 году Бюннинг пришел к выводу, что эндогенная «суточная» ритмичность растений связана с фотопериодом. По его мнению, то, что мы теперь называем циркадным ритмом растения, состоит из двух полуциклов — светового (названного им «фотофильным») и темнового (или «скотофильного»).

Световой полуцикл эквивалентен дневной фазе циркадного ритма, а темновой — его ночной фазе. В зависимости от времени года растение на ранней фазе темнового периода будет либо освещенным, либо неосвещенным. Если ранняя фаза темнового периода попадает на светлое время суток, то растения короткого дня переходят к цветению, а растения длинного дня — не переходят. Значит, циркадный ритм служит растению часовым механизмом для скрытого измерения времени. В этом суть гипотезы Бюннинга, которая оказалась чрезвычайно полезной для понимания биологической ритмичности. Она предвосхитила современый взгляд на измерение времени как на узловую проблему фотопериодизма и на оценку циркадных ритмов как всеобщих биологических часов.

Древняя, или первичная, функция циркадных ритмов

Со времен Дарвина ботаники пытались определить адаптивную значимость циркадных ритмов. Но для многих циркадных ритмов не удается отыскать видимой адаптивной функции. Реммерт (1962) вполне оправданно подверг сомнению адаптивную пользу ритма размножения дрозофил. В адаптивной функции огромного числа ритмов, наблюдающихся при метаморфозе насекомых, разобраться действительно трудно.

Огромное разнообразие циркадных ритмов неизбежно ставит перед учеными вопрос об их происхождении. Несомненно, многие циркадные системы имеют независимое происхождение, а сходство некоторых из их внешних признаков является следствием конвергенции[24]. При независимом происхождении циркадных систем одной конвергенцией трудно объяснить сходство между ритмами, особенно такие их свойства (наиболее «невероятные», с точки зрения физиологов), как точность и температурная независимость. К тому же ритмы сходны своей зависимостью от цикличности освещения. Короче говоря, жаль отказываться от рабочей гипотезы об общей древней основе циркадных ритмов, а также о том, что эволюционно они предназначены для выполнения некой функции. Немногие, известные сегодня функции ритмов являются вторичным проявлением этой организации, возникшей для выполнения других потребностей организма[25].

Существует ли в действительности такая древняя первичная функция, конечно, неизвестно, и на этом обсуждение этого вопроса можно было бы кончить. Однако живой организм представляет собой продукт исторического развития, определяемого естественным отбором, цель которого сводится, в сущности, к выработке функциональной приспособленности. И поэтому признание возможного существования некоторой еще неизвестной функции может открыть для исследователей новые полезные подходы к решению этого вопроса.

Многое в предположениях Питтендрая, несомненно, окажется неверным. Однако его рассуждения оправданы уже потому, что, ставя вопрос о возможном существовании первичной функции циркадных ритмов, они побуждают ученых к постановке новых экспериментов.

Послесловие

Перед нами популярная книга по биоритмологии — вероятно, одна из первых попыток популярного изложения проблем этой молодой науки.

Автор книги не специалист-биолог. Но с проблемами биоритмологии он знаком не только по книгам. Р. Уорд объехал лаборатории многих крупных биоритмологов, наблюдал их работу, вникал в суть их экспериментов. На страницах своей книги Р. Уорд не стремился выступать в роли арбитра, он просто изложил в отдельных очерках-главах суть работы каждого из ученых, стараясь сделать это максимально понятно. Поскольку повествование начинается с самых ранних исследований (XVIII век), книга получает богатство измерений, позволяющее видеть проблему объемно и в развитии. Такой исторический ракурс показывает, сколь трудным и противоречивым было становление науки, какими сложными и порой совершенно неожиданными путями ученые добирались до истины.

Одна из основных задач автора — показать, как развивается исследование, как появляется первый проблеск новой идеи, как постепенно она приобретает все более четкую форму, как совершенствуется в борьбе со старыми, солидными и, казалось бы, не подлежащими сомнениям теориями.

Идея без доказательств — пустое сотрясение воздуха. А чтобы доказать ее правильность, нужны факты, эксперименты. И тут нередко оказывается, что самый опасный враг идеи — ее автор. Находясь во власти собственных концепций, более чем легко просмотреть случайные погрешности в методике, кажущиеся такими несущественными, а на деле роковые для эксперимента. И это вполне понятно: ничто не может сравниться с восторгом исследователя, когда он получает результат, четко отвечающий на поставленный им вопрос, результат, который, по его мнению, может быть истолкован только однозначно и ни в коей мере не объясняется какими-нибудь ошибками или случайностями. Как трудно порой выйти за рамки представлений, сложившихся под влиянием образования и авторитетов! А еще труднее заметить и оценить факт, противоречащий собственной концепции.

Теперь о главном — о самой биоритмологии. Ей нет еще и пятнадцати лег. Годом ее рождения можно считать 1960 год, когда в Колд-Спринг-Харборе собрался большой симпозиум, на котором присутствовали специалисты, работавшие в различных областях биологии и медицины— на разных объектах они решали, по существу, одни и те же проблемы. Не нужно думать, что после этого симпозиума развитие биоритмологии пошло вперед семимильными шагами. И сегодня еще слишком многие вопросы остаются нерешенными.

Основные проблемы биоритмологии изложены автором довольно полно и достоверно. Но форма изложения — в виде отдельных очерков — несколько затрудняет восприятие этих проблем. Поэтому остановимся на них вкратце.

Книга называется «Живые часы». Этот не так давно появившийся термин — «живые, или биологические, часы» — не совсем точен. Часы — это механизм, специально построенный и предназначенный для измерения времени. Животные же и растения измеряют время благодаря ритмам каких-то тонких физиологических процессов, которые, по-видимому, исходно служат совсем другим целям. В организме можно наблюдать целый спектр ритмических процессов: от высокочастотных колебаний органических молекул до колебаний, длящихся доли секунды, минуты, часы и даже годы. Периоды одних ритмических процессов все время меняются (в этих случаях говорят, что частота ритмов «плавает»), периоды других отличаются удивительной точностью. В принципе достаточно иметь несколько очень точных по частоте, пусть даже высокочастотных колебаний, чтобы на основе их взаимодействия получить большой спектр самых разнообразных, в том числе очень низких частот. Надо только, чтобы частоты этих исходных колебаний несколько отличались друг от друга.

Пульсации — это признак всего живого. Не случайно, чтобы узнать, жив ли человек, проверяют, бьется ли его сердце и дышит ли он, то есть сокращаются ли ритмично его сердце и легкие. Но колебания-пульсации — это характеристика не только живого. Мы встречаемся с миллионами различных колебаний среди неживых компонентов биосферы, в геофизических процессах и вообще в любых процессах во Вселенной. Естественно, что многочисленные собственные ритмы организма не могут не взаимодействовать с еще более многочисленными ритмами среды. И не менее естественно, что именно те ритмы организма, которые совпадают по частоте с ритмами неживой среды, становятся доминирующими и приобретают большую точность.