Механизм биологических часов

Наблюдения ученых показали, что ритмические процессы в живых организмах имеют много общих черт. Это обстоя­тельство навело на мысль о том, что в основе всех процессов лежит единый внутриклеточный механизм часов. Он управляет всеми биологическими часами, присутствую­щими как в простых одноклеточных, так и в сложных высокоорганизованных живых организмах.

Живому организму необходимо измерять промежутки времени самой различной продолжительности и для раз­ных целей. Так, каждое измерение скорости (например, при ориентации птиц во время перелетов) связано с из­мерением времени иногда с точностью до миллисекунд. Поэтому, как предполагают ученые, живой организм имеет целый набор биологических ритмов с различными пе­риодами. Короткие (в тысячные доли секунды) периоды колебаний, возникающие на клеточном уровне, трансфор­мируются в более длинные суточные ритмы отдельных органов и систем организма. В связи с этим механизм биологических часов можно сравнить с механизмом обыч­ных часов. Подобно им, биологические часы имеют меха­низм деления частоты - аналог зубчатых колес в часовом механизме. Точность хода механических часов обусловле­на стабильностью частоты быстрых колебаний маятника. Пока часовая стрелка завершает суточный цикл, маятник часов осуществляет множество колебаний. В биологиче­ских же часах, по аналогии с механическими, суточный цикл каких-либо физиологических функций осуществля­ется множеством элементарных внутриклеточных коле­баний.

Как показали исследования ряда ученых (Ж. Гастингс, 1962 г., и др.), биологические часы измеряют абсолютное время. Об этом свидетельствует циркадная (суточная) длительность циклов, сохраняющаяся при постоянных внешних факторах среды, а также несовпадение во вре­мени фаз одного и того же процесса у представителей разных видов и разновидностей.

Среди некоторых ученых долго господствовало убеж­дение, что измерение времени в биологических часах основано на одиночных реакциях, т. е. на принципе пе­сочных часов. Иными словами, предполагалось, что какой-либо стимул (например, восход солнца или пере­варивание пищи) приводит в действие определенный биологический процесс, завершение которого отмечается сигналом, посылаемым в соответствующий орган. В каче­стве аналогии приводился такой процесс, как разряд кон­денсатора.

Однако, как стало известно в последнее время, у жи­вотных, растений и даже у самых примитивных одно­клеточных организмов существует гораздо более совер­шенный способ измерения времени, основанный на циклических процессах в организме. Этот способ позволяет осуществить измерения времени в организме на протя­жении более длительного промежутка - до того момента, пока не появится фактор, способствующий определению времени в новом цикле.

Таким образом, стало очевидным, что в основе изме­рения времени лежат не одиночные, а цепные процессы и что принцип их работы тот же, что и у маятниковых часов.

При изучении природы биологических часов важно было выяснить механизм возникновения первичных пе­риодических процессов, определяющих ход внутриклеточных часов. Ученые проводили исследования в различных направлениях: определяли физический, химический, био­логический и физиологический смысл явлений, происхо­дящих в клетках и тканях организма. Результаты иссле­дований вызывали самые различные (в том числе и про­тиворечивые) выводы.

Так, мнение ученых о физической природе внутриклеточных часов основывалось на том, что длительность периода биологических ритмов очень мало зависит от температуры. Правда, можно предположить, что в этом случае идет взаимодействие химических процессов, обладающих различными температурными коэф­фициентами. Однако такое объяснение не очень хорошо согласуется с тем, что отсутствие температурной зависимости индивидуальных фаз цикла проявляется в одном и том же интервале температур - обычно между 10-30°С. В пользу физической природы биологических часов свидетельствует периодическое изменение состояния мак­ромолекул. Экспериментально установлено, что у некото­рых составных частей клетки (например, ядра) способ­ность связывать воду периодически меняется. Это обус­ловлено внутриклеточными реакциями, обеспечивающими клетку энергией. Периодические колебания макромолекул поддерживаются за счет поступления очень небольшого количества энергии, что обеспечивает надежность и устой­чивость работы внутриклеточных часов.

Кроме доказательств в пользу физической природы биологических часов, были получены экспериментальные данные, показывающие, что в клетках организма происхо­дят и биохимические процессы, определяющие ход био­логических часов. Многие биохимические процессы регу­лируются и имеют суточную периодичность.