Чего не знает современная наука

Как сказываются на живых существах все эти периодические явления? Хорошо известны сезонные циклы размножения животных и растений, суточные ритмы активности всего живого, приливно-отливные ритмы морских организмов. На периоды максимума солнечной активности приходятся наиболее урожайные годы. На основании прогнозов солнечной активности, которые даются астрономами на десятки лет вперед, можно рассчитать годы повышения патогенности микроорганизмов и возникновения эпидемий, годы нашествий на поля грызунов и саранчи. Социологи и историки выяснили, что последние несколько веков начало всех военных и революционных событий приходилось на годы максимальной солнечной активности.

Каков же механизм чувства времени у живых существ? Какие процессы внутри клеток и организмов помогают им ориентироваться во времени? Прежде всего, необходимо понять, является ли чувство времени внутренне присущим живым организмам, фундаментальным свойством живого или же ритмичность биологических процессов – просто реакция на периодические колебания условий внешней среды. Самый естественный путь для решения этого вопроса – изучение организмов, содержащихся в ходе эксперимента в строго постоянных условиях. Такими опытами было доказано, что у каждого вида организмов имеется ряд ритмов, не зависящих от условий среды. Эти ритмы были названы эндогенными. Многие из них имеют периодичность, близкую к суткам: это, например, ритмы деления клеток, изменения активности ферментов, окислительно-восстановительных процессов. Более быстрые (короткопериодичные) ритмы – например, дыхания, сердечной деятельности у человека – также являются эндогенными. Однако некоторые ритмы, такие, как чередование сна и бодрствования, активности и пассивности пищеварительных ферментов и многие другие, подчиняющиеся в природных условиях суточной периодичности, в постоянных условиях эксперимента несколько изменяют (например, до 25 часов) свой период. По этой причине большую группу ритмов, в природе строго синхронизируемых сменой дня и ночи, стали называть циркадианными или циркадными (околосуточными).

Другая большая группа ритмов в организмах имеет околочасовую периодичность, а многие ферментативные процессы в клетках осциллируют с короткими периодами (порядка секунд или минут).

Видимо, благодаря всем этим разнообразным механизмам, носящим общее имя «биологические часы», и возможно очень точное ориентирование всех живых существ во времени. Примером такого ориентирования может послужить возможность формирования рефлекса на время у моллюска. Ход опыта таков: моллюск получает каждые 5 минут удары слабым током. После удара он ненадолго скрывается в раковине, а затем продолжает свое движение. После прекращения ударов моллюск продолжает точно каждые 5 минут прятаться в раковине. Это говорит о наличии у него системы отсчета времени.

Другой пример связан с сезонными циклами размножения. Океанский червь палоло раз в году образует для размножения громадные скопления в определенном квадрате океана, в определенной фазе луны, для чего этим пловцам приходится преодолевать многие километры пути. Это также свидетельствует о существовании в их организмах системы отсчета времени (и ориентирования в пространстве!), которая позволяет им заранее «предвидеть» сезон размножения и вовремя пуститься в путь.

Все подобные примеры ставят нас перед волнующей загадкой природы: каким образом живые организмы предвидят наступление важных для их существования периодических изменений в среде? Иными словами, если биологические часы есть неотъемлемое свойство живого, то как они устроены?

В последние два десятилетия наука вплотную приступила к решению загадки «биологических часов»; возникли даже новые области – хронобиология и хрономедицина.

Вкратце, современные представления об устройстве «биологических часов» сводятся к следующему. Каждая клетка живого организма обладает набором биохимических реакций, имеющих автоколебательные свойства. К ним относятся концентрационные колебания в ферментных системах – результат саморегуляции при наличии обратной связи. Предполагается, что это и есть принцип организации «секундомеров» в «биологических часах». Однако чтобы эти часы могли служить для измерения более длительных процессов, например, сообразно, с длительностью суток, необходим замедляющий механизм, действующий аналогично зубчатой передаче механических часов. Скорее всего, эту роль играют процессы диффузии продуктов быстрых биохимических реакций внутри клетки, «обслуживающие» цикл клеточного деления. Вероятно, этот околочасовой ритм закладывается в самом начале развития каждого организма, когда оплодотворенная материнская клетка очень быстро, строго ритмично многократно делится, образуя многоклеточный зародыш. В этот уникальный период жизни клеточные деления происходят со скоростью, определяемой главным процессом – удвоением (репликацией) молекулы ДНК. Полагают, что это и есть так называемый «хронон – модель биологического циркадного механизма.

Автор концепции «хронона» Ч. Эре сравнивает двухспиральную молекулу ДНК со старинным хронометром, состоящим из двух перевитых кусков каната, пропитанных воском и свечным салом. Они горят с удивительно постоянной скоростью, что и навело Ч. Эре на его идею. Каждая клетка, как и целый организм, – самоподдерживающаяся система. Она должна постоянно подзаряжаться энергетически. Окислительно-восстановительные процессы, энергетически обеспечивающие деление клеток, – это основные таймеры множества околочасовых ритмических процессов, связанных в начале развития с клеточным делением. В более поздние периоды жизни организма клетки делятся уже не так быстро, но клеточные околочасовые ритмы продолжают существовать.

А что помогает организму ориентироваться во времени суток, в сезонах года? Какой часовой механизм определяет время созревания, старения и смерти каждого организма? Многие животные заранее «знают» время и направление длительных миграций к месту обзаведения потомством. Так, всем известная горбуша, после своего развития из икринок, оплодотворенных в реках, в течение 4–5 лет живет и взрослеет в Тихом океане, растет, накапливает жир, готовясь к половому созреванию. С приближением периода размножения горбуша начинает свой путь, иногда длиной в тысячи километров, к устью именно той реки, где она появилась на свет. За время пути рыба начинает проявлять признаки старения: у нее меняется форма тела и челюстей, западают глаза, истончается кожа, запасы жира расходуются на формирование половых продуктов. Для нереста горбуши добираются до верховьев рек, преодолевая пороги, иногда погибая в пути. После нереста все родительские особи умирают (причиной являются множественные инфаркты, связанные с колоссальным повышением уровня холестерина в крови). Жизнь рыб как будто заканчивается в соответствии с программой, записанной в генах…

Как известно теперь благодаря работам ученых-физиологов, основные «часы» в организме высших животных связаны с нейроэндокринной системой регуляции, главное звено которой находится в гипоталамусе. Именно эта эндокринная железа, являющаяся в то же время частью головного мозга, и сосредотачивает в себе информацию, которая поступает в организм извне и от органов и систем самого организма. Информация извне принимается через зрительный анализатор (это органы зрения и отделы нервной системы, обрабатывающие зрительную информацию). Так гипоталамус «узнает» об изменениях длины светового дня, а это и есть сигнал как о сезонных изменениях в природе, так и о суточной периодичности. Гипоталамус управляет активностью другой эндокринной железы, гипофиза, которая уже передает сигналы «рабочим» железам: надпочечникам, вырабатывающим гормоны мобилизации, гонадам, вырабатывающим половые гормоны, и т. д. Так весь организм вовлекается в физиологические изменения, подчиненные биологическим ритмам.

С возрастом порог чувствительности гипоталамуса изменяется; именно «неполадками» этой всеобъемлющей регуляторной нейроэндокринной системы определяется старение. В стареющем организме нарушаются процессы адаптации (приспособления) к среде. Возникает десинхроноз, а также и типичные болезни старения (ожирение, диабет, гипертония, рак) что и приводит к гибели организма. Таким образом, старением завершается «индивидуальное время».

«Отработанная» сома всех организмов после их смерти поступает вновь в великий круговорот земного вещества, из которого ежесекундно рождаются новые жизни, и этот процесс постоянной смерти и перерождения по древнеиндийским учениям назывался колесом сансары. Короткие времена жизни элементов-организмов питают долгую жизнь глобальной системы – биосферы. Так и отжившая «сома» человека впадает в тот же вечно живой океан.

Таким образом, ручейки индивидуального времени сливаются в реку времени биологических видов, а те впадают в океан планетарного времени, имеющего уже другие масштабы.

Ольга Мелехова, д-р биол. наук, МГУ

Температура у растений

То, что животные бывают теплокровными или холоднокровными, знают все. Но интересно, бывают ли «теплокровными» растения? В конце XVIII века, в 1777 году, знаменитый французский ученый Ж.-Б. Ламарк (1744–1829) обратил внимание на то, что цветы аронника, растущего в Италии, теплые на ощупь. Позже опытным путем было установлено, что при температуре окружающей среды 15 °C в цветах аронника температура составляет 40–44 °C.

Откуда же берется это тепло? Дело в том, что растения, как и животные, дышат: независимо от фотосинтеза они вдыхают кислород, а выдыхают углекислый газ. Скорость дыхания у растений относительно невелика, поэтому выделяемое тепло не влияет на температуру самого растения. Однако у некоторых растений в период цветения температура в цветке может на 10 °C и более превышать температуру воздуха. Таким свойством обладают в большей степени растения представители семейства ароидных: аронники, филодендроны, «скунсова капуста» и др.