Top.Mail.Ru

Биологические часы в природе и механизм биологических часов

Биологические часы в природе и механизм биологических часов

         Содержание

     Биологические часы

     Где же находится хронометр

     Биохимические колебательные процессы

     Механизм биологических часов

     Собственный период времени

     Можно заметить, с какой удивительной точностью протекают жизненные процессы в живых организмах. Эти процессы налажены и отрегулированы так, что с ними не могут сравниться никакие современные рукотворные механизмы.

     В 1729 году, исследователь и математик де Мэран сделал важнейший опыт: поместил фасоль в темную комнату — в темноту и днем, и ночью и наблюдал, что движения листьев продолжаются и без изменения освещенности.

     Листья поднимаются, когда наступает день (а в комнате все равно темно) и опускаются, когда ночь. Как листья определяют, что там, за стенами комнаты, день или ночь? У них есть свои природные часы? Может быть, фасоль чувствует изменения температуры, но термостатов тогда не было.

Биологические часы в природе и механизм биологических часов
Биологические часы в природе и механизм биологических часов

     В 1758 году Дюмель повторил опыты де Мэрана, поместив растения в глубокую пещеру — во мрак, где температура была неизменна и днем, и ночью. Движения листьев продолжались.

     Постепенно, через много дней, эти движения затухают, но от очень короткой вспышки света, движения возобновляются, причем так, как будто все время часы шли, только листья-стрелки не двигались.

     Прошло много лет с открытия де Мэрана. Проблема биологических часов трудами десятков выдающихся исследователей, весьма разных специальностей, близка к разрешению.

Биологические часы

     Пчеловоды знают, что цветы выделяют нектар определенное время и прилет пчелы совпадает как раз с тем временем, когда нектар выделяется в наибольшем количестве. Какой же невидимый будильник сигнализирует пчеле, что пора собирать нектар.

     «Часовой механизм» — часы — передаются, как и полагается особо ценному имуществу, по наследству — в клетках есть гены часов. Эти гены, как и любые другие, подвержены мутациям и, следовательно, естественному отбору.

Биологические часы в природе и механизм биологических часов
Биологические часы в природе и механизм биологических часов

     Исследователи в основном понимают, зачем нужны в клетках часы. Ясно, что для согласования жизнедеятельности со сменой дня и ночи, то есть в качестве приспособления к вращению Земли вокруг своей оси. В качестве приспособления к смене темного и светлого времени.

     А поскольку в средних и высоких широтах соотношения светлого и темного времени в течение года неодинаковы, часы необходимы и для приспособления к смене сезонов, то есть для приспособления к наклону Земной оси относительно плоскости околосолнечной орбиты.

     Тут мало измерить соотношение светлого и темного времени суток, нужно еще знать, растет или убывает день (ночь) — иначе можно спутать весну и осень. Надо уметь определять знак производной!

     Часы нужны и тем, кто должен учитывать лунные ритмы. Это прежде всего обитатели приливных зон побережья океанов. Время «высокой воды» или «низкой воды» изменяется из-за несовпадения лунных и земных суток.

     Учет сдвига времени приливов и отливов невозможен без точных внутренних часов. Понятно и назначение иерархического подчинения часов в многоклеточном организме — организм должен функционировать как целое. А если функции органов и тканей несогласованы — это ужасно!  Это приведет к проблемам разных видов.

     Без часов нельзя решать задачи навигации по Солнцу или звездам. Заметив, что богатые нектаром цветущие растения растут в направлении под определенным углом относительно Солнца, пчелы при повторном полете за нектаром должны делать поправку на движение Солнца. Для этого нужны часы.

     Пчелы умеют это делать. Умеют вносить поправку на время суток и птицы, ориентируясь в перелетах ночью по звездам или днем по Солнцу. Нет, не все тут понятно! Зачем морским одноклеточным жгутиконосцам — например, пиридинеям, гониаулаксу (Gonyaulax) знать, что наступила ночь.

Видео: Био — люминесцентный кальмар

     Они светятся ночью и не светятся днем. Какой в этом смысл? Кому они подают световые сигналы и зачем? Зачем часы примитивному грибу нейроспоре? Явно, им часы очень нужны — иначе они не сохранились бы при естественном отборе. А зачем? Не знаем, зато известно, что это бесценные объекты для изучения природы часов.

Где же находится хронометр

     Где же находится тот хронометр, который распределяет во времени все функции организма? Что мы знаем о природе биологических часов? Откуда следует, что эндогенны, что их ход не определяется каким-то внешним периодическим процессом?

     Вот вопросы, стоящие перед теми, кто работает над изучением проблемы биологических часов.

     Накоплено много наблюдений и доказательств, говорящих, что большинство биологических процессов протекает неравномерно в течение суток и с сезонными колебаниями в течение года.

     Пример таких сезонных колебаний — зимняя спячка медведей. Она бывает каждый год, в строго определенный период.

     У более высокоорганизованных животных, по-видимому, в процессе эволюции выделилась группа клеток, назначением которых является временная регуляция биологических процессов.

     Де Мэран показал, что дело не в периодической смене дня и ночи, а Дюмель выявил, что дело не в периодических изменениях температуры.

     Но это было так давно, ученые того времени, не имея точных приборов, могли не учесть небольших изменений. А кроме того, может быть дело в каких-то других физических факторах: атмосферном давлении, электромагнитных, трудно экранируемых излучениях или, вообще, в каких-то еще неизвестных излучениях Солнца?

Биологические часы в природе и механизм биологических часов
Биологические часы в природе и механизм биологических часов

     В многоклеточных организмах часы всех клеток должны идти согласовано, образуя иерархическую систему: часы отдельных клеток управляются часами органа, часы всех органов настраиваются по часам центральной нервной системы (если она есть), а в ней, в мозгу — есть главные часы организма.

     Биологические часы активны (в отличие от солнечных часов) и эндогенны, то есть они «идут» сами — внутри каждой клетки есть свой «маятник», «колебательный контур», периодический процесс, отмеривающий единицы времени.

     При этом ход внутриклеточных часов, как и ход искусственных, рукотворных часов, можно подстраивать по фазе, т. е. подводить «стрелки» соответственно с периодическими процессами окружающей среды, прежде всего суточным вращением Земли.

     Жизни многих исследователей были посвящены этой проблеме. Главный довод, в пользу версии эндогенности, состоит в следующих выводах.

Биохимические колебательные процессы и внутриклеточные часы

     В середине XX века мысль о возможности колебательных, периодических химических (биохимических) реакций казалась очень странной.

     Как это может быть, чтобы в химической реакции все молекулы реагировали то с одной скоростью, то с другой, то есть были бы все то в одном, то в другом состоянии? А распределение Больцмана?

     Казалось, что это допущение противоречит термодинамике. И в самом деле, в равновесии такое невозможно. Но колебательные процессы осуществляются лишь до тех пор, пока системы неравновесные. Пока не израсходован их термодинамический потенциал.

     Сообщения об открытии биохимических колебательных процессов начали появляться в научных исследованиях. Однако первый бесспорно периодический биохимический процесс открыл американский биохимик Бриттен Чанс.

     Во всех клетках превращения энергии связаны с синтезом и гидролизом АТФ. Самый распространенный процесс, в котором в темноте и без кислорода образуется АТФ, это гликолиз — расщепление молекулы глюкозы на две молекулы молочной кислоты или на две молекулы этилового спирта и две молекулы СО2 (иногда этот процесс называется «брожение»).

     Гликолиз — это последовательность многих реакций, каждая из которых катализируется своим ферментом. Центральная реакция гликолиза (в ней фруктозо-6-фосфат превращается во фруктозо – 1,6 — бисфосфат) катализируется ферментом фосфофруктозокиназой.

Биологические часы в природе и механизм биологических часов
Биологические часы в природе и механизм биологических часов

     Вот в этой реакции и были обнаружены колебания скорости. Следовательно, и синтез АТФ должен был осуществляться с колебаниями скорости, то быстрее, то медленнее. И колебания были «вполне подходящие», с периодом порядка минуты, вполне годились на роль маятника биологических внутренних часов.

Механизм биологических часов

     Какими же химическими реакциями обусловлен ход биологических часов?

     Известно, что катализаторами биохимических реакций являются особые белковые вещества — ферменты. Ученым С. Э. Шнолем установлено, что у некоторых белков ферментативная активность и концентрация активных группировок колеблется в течение суток, проявляя явную суточную ритмичность.

     В некоторых организмах с выраженным суточным колебанием меняется и содержание таких важных химических соединений, как хлорофилл и каротиноиды.

     Интересные исследования проводились по изучению влияния на ход биологических часов различных химических ядов. В некоторых случаях эти эксперименты увенчались успехом, что дало основание предположить, что дало основание предположить, что можно вызвать сдвиг временной фазы химическими веществами.

     Многие данные подтверждают гипотезу о том, что в основе всех суточных ритмов лежат сдвиги в активности ферментативных систем и изменение в ходе химических реакций.

     При определенной скорости протекания реакций качественная или количественная образовавшихся характеристика продуктов может сигнализировать о наступлении необходимого момента.

     Важен для выяснения сущности этих ритмов вопрос: является ли эта способность полученной по наследству, или она приобретается в процессе развития — внутри и внеутробного?

Биологические часы в природе и механизм биологических часов
Биологические часы в природе и механизм биологических часов

     Большинство ученых сейчас сходятся в том, что эта черта организма является врожденной и соответственно заложена внутри него. Доказательством могут служить те факты, что многие ритмические процессы сохраняются три перенесении организма в постоянные условия, исключающие смену суточных или сезонных циклов.

     Но тут выявляется очень интересное обстоятельство.

Собственный период времени

     В постоянных, по всем параметрам контролируемых условиях период внутриклеточных часов вовсе не равен ровно 24 часам. Такой «свободный» период может быть и 22 (и даже 16) и 28 часов, это лишь, как говорят по предложению Халберга, — «циркадный» (околосуточный) период.

     Циркадные, собственные, эндогенные часы подстраиваются внешними периодическими процессами под 24-часовой период земных суток. Но их можно подстроить и под другие периоды — растянуть даже до 48 часов или сжать до 16 часов.

     Это делают в искусственных условиях с растениями и животными. В том числе с человеком, когда изучают поведение часов в условиях, имитирующих, например, условия длительного космического полета или подводного плавания.

Биологические часы в природе и механизм биологических часов
Биологические часы в природе и механизм биологических часов

     Исследованием природы биологических часов заняты лаборатории в разных странах. Над этой задачей работали и работают выдающиеся исследователи: Фриш, Бюннинг, Питендрич, Хастингс, Халберг и много новых, относительно молодых биологов, физиков, математиков.

     Однако далеко не на все вопросы получены ответы. И все же успехи здесь замечательны. Итак, мы должны определить природу внутриклеточного периодического процесса, не зависящего от температуры, имеющего период порядка секунд, колебания которого преобразуются в околосуточные.

     Этот процесс должен настраиваться по внешним ритмам (свет — темнота) и по сигналам, идущим от других клеток многоклеточного организма.

     Так осмысленно совершаются действия природы. Словом, говорить о проблемах, касающихся биологических часов, можно еще очень много.

     О том, как регулируются эти часы нервной системой и продуктами деятельности желез внутренней секреции – гормонами; как на основе все того же «часового механизма» рыбы ориентируются по солнцу, а птицы, летающие ночью, — по звездам.

                                                                   С. Э. Шноль    М. И. Кандрор

Биоритмы кожи и время

Видео: Песец сторожевой тундры

 

You May Also Like