Биологические маятники

Как показали исследования ряда ученых, биологические часы существуют в каждой клетке живого организма. В качестве доказательства приводятся факты, свидетельствующие о наличии суточной периодичности у одноклеточных водорослей.

Отсутствие  же биологических часов у некоторых одноклеточных организмов ученые объясняют особенностями строения клетки. Они считают, что биологические часы свойственны тем клеткам, у которых ядро четко отграничено от цитоплазмы специальной мембраной. Такие клетки имеют две мембраны - наружную клеточную (оболочку) и внутреннюю ядерную. Их иногда называют «двухоболочечными» клетками. В отличие от них существуют «однооболочечные» организмы, у которых суточные ритмы не обнаружены. К их числу относятся различные бактерии, не имеющие четко отграниченного ядра. Наличие биологических часов в каждой клетке живого организма в настоящее время не вызывает сомнений. Не выяснен пока вопрос, каким образом взаимодействуют биологические часы всех клеток организма как целостной системы. Не до конца решены вопросы о том, что управляет ходом биологических часов всего организма.

На основании  проведенных исследований ученые считают, что в многоклеточных живых организмах существует иерархия ритмов, при этом биологические часы отдельных клеток синхронизируются с суточными ритмами «ведущих клеток». В настоящее время основная задача ученых - обнаружить клетки, управляющие ритмом всего организма.

Замечательные работы провела в этом направления  английская исследовательница Ж. Харкер еще в 1960 г. В тонких и остроумных опытах она определила у тараканов центры, управляющие их биологическими часами. Харкер выбрала таракана в качестве объекта своих исследований потому, что у него четко выраженная суточная двигательная активность, которая сохраняется при нарушении условий освещения в течение нескольких дней. Кроме того, таракан легко переносит лабораторные условия, неприхотлив в еде (может питаться чем угодно) и отдельные части его относительно слабо развитой центральной нервной системы имеют хорошо выраженную автономию. Так, обезглавленный таракан может прожить несколько дней, бегая и расходуя имеющиеся в нем запасы энергии.

Смысл экспериментов  Харкер заключался в том, чтобы выявить орган таракана, из которого поступает в кровь вещество, стимулирующее суточную двигательную активность. Она последовательно удаляла один за другим все эндокринные органы, проверяя при этом действие биологических часов таракана.

В результате напряженной работы Харкер удалось обнаружить у таракана орган, от которого зависело возникновение суточной периодичности движений. Им оказался подглоточный ганглий, расположенный под пищеводом таракана. Размер этого органа очень мал, поэтому удалить его можно было только под микроскопом. Харкер потратила почти три года на прижигание мельчайших участков подглоточного ганглия, пока она не нашла четыре нейро-секреторные клетки, играющие важную роль в поддержании ритма двигательной активности. Пересаживая эти клетки в кровоток других тараканов, она смогла убедиться в том, что именно данные клетки ответственны за выделение гормона в определенные промежутки времени. Зная, где находятся биологические часы у таракана, исследовательница продолжала выяснять, что заставляет их работать, каков механизм, регулирующий ход ритма.

Один из способов, позволяющий узнать, как  работает механизм,- разладить его  деятельность. В данном случае необходимо было найти физиологический способ нарушения хода биологических часов. Харкер нашла такой способ. Она подвергла таракана одновременному воздействию двух биологических часов, не совпадающих друг с другом по времени. Эксперимент был длительным и состоял из трех этапов. На первом этапе исследований к таракану с разлаженным суточным ритмом был прикреплен другой таракан, имеющий нормальный суточный ритм. Связь между ними осуществлялась через кровоток. В этом случае таракану был навязан суточный ритм партнера.

На втором этапе исследований была проведена  пересадка подглоточного ганглия обезглавленному таракану от нормального таракана. В проведенном эксперименте у обезглавленного таракана появился нормальный ритм, который сохранялся в течение нескольких дней.

Третий этап исследований состоял в пересадке  таракану с кембриджским временем «часовых»; клеток таракана с новозеландским временем. В результате такого эксперимента у кембриджского таракана был разлажен ход биологических часов, после чего в его кишечнике развилась опухоль, и он погиб.

Таким образом, Харкер в своих экспериментах не только определила местоположение биологических часов у таракана, но и показала, что происходит с ним при сбившемся ритме биологических часов. Ни у одного другого вида животного, кроме таракана, местоположение биологических часов пока не обнаружено, хотя ученые, работающие с млекопитающими, уже вплотную подошли к решению этой задачи.

В настоящее  время учеными установлено, что  растения не имеют центральных механизмов, управляющих всеми суточными ритмами. Это было показано на простых экспериментах, в которых путем изменения освещения у двух соседних листьев создавались различные ритмы. Что же касается высших позвоночных животных и человека, то у них поиски центров управления биологическими часами продолжаются. В этом направлении сделано много. Так, американский ученый К. Рихтер еще в 1960 г. высказал предположение о существовании у человека трех типов биологических часов: центральных, гомеостатических и периферических. Центральные часы расположены в таламусе, гипоталамусе, ретикулярной формации и в задней доле гипофиза.

Гомеостатические  часы имеют непосредственное отношение  к гипоталамусу и связаны с различными железами внутренней секреции. Периферические часы находятся в разных тканях и независимы от центральных часов.

Согласно  Рихтеру, центр управления биологическими часами человека расположен не в коре головного мозга. Это обстоятельство он объясняет тем, что зависимость от коры мозга придавала бы суточным ритмам физиологических процессов все основные черты условных рефлексов. Действительно, влияние коры головного мозга на суточные ритмы человека ограниченно. Даже при отсутствии обоих полушарий суточная периодичность различных физиологических процессов, в частности ритма сна и бодрствования, сохраняется. Поэтому центр управления биологическими часами человека, надо полагать, находится под полушариями. Биологические часы наиболее устойчивы к случайным изменениям во внешней среде, что важно для сохранения суточного ритма. Кроме того, разделение функций между корой и нижележащими участками мозга имеет большое приспособительное значение, позволяющее освободить кору от управления множеством внутренних процессов и создать тем самым условия для приспособления организма к изменениям внешней среды.

Гипоталамус имеет непосредственное отношение  к управлению суточным ритмом. В  нем находятся центры, управляющие  температурой тела, работой желез  внутренней секреции, а также углеводным, водно-солевым и жировым обменом.

Управление  суточной периодичностью наиболее четко  проявляется в деятельности температурного и водно-солевого центров. Об этом свидетельствуют многочисленные исследования, проведенные на людях. Работа этих центров осуществляется так называемыми субцентрами с помощью различных способов. Так, например, температурный центр через один из субцентров осуществляет регулирование температуры при помощи физических процессов, изменяя интенсивность потоотделения и дыхания; просвет сосудов через другой субцентр - путем химических процессов усиливает обмен веществ при понижении температуры крови.

С помощью  гипоталамуса в организме человека регулируются ритмы многих процессов, например ритм содержания эозинофилов и других клеток в крови.

Гомеостатические  часы, как уже говорилось ранее, связаны  с работой гипоталамуса. Они управляются  нервными центрами гипоталамуса через гипофиз, и в их деятельности наиболее полно представлен принцип обратной связи. Принцип работы соответствующих центров заключается в том, что возбуждение возникает в них в результате недостатка специальных веществ в крови, а торможение - при их избытке. Возбуждение одного из центров гипоталамуса приводит к выработке нейросекрета, который заставляет клетки гипофиза вырабатывать гормон. Под его влиянием кора надпочечников выделяет вещество, тормозящее деление клеток костного мозга.

Периферические  часы работают независимо от гипоталамуса, и в своей деятельности они не связаны ни с центральными, ни с гомеостатическими часами. В них роль главного метронома могут выполнять надпочечники. Они-то и создают суточный ритм выработки адреналина и норадреналина. Основная особенность периферических часов в том, что они позволяют длительное время сохранять положение фаз какого-либо физиологического ритма при нарушении нормального чередования света и темноты. Изменение фаз ритма в этом случае будет свидетельствовать о прямом или косвенном влиянии гипоталамуса на периферические часы.

В организме человека нет таких физиологических процессов, которые не зависели бы полностью от центральной нервной системы и от общего состояния организма. В работе периферических часов время от времени могут участвовать и центральные часы, которые по нервным путям будут осуществлять регуляцию ритма из гипоталамуса. В этом случае может происходить изменение местоположения центра биологических часов человека. Оно непосредственно связано с системой регуляции, с механизмом работы и природой биологических часов.

Тот факт, что  в другом часовом поясе ход биологических часов перестраивается, свидетельствует об их условно-рефлекторной регуляции.