Живые часы

16. Живые часы на Южном полюсе

Теплым осенним вечером 1957 года Карл Хамнер, профессор ботаники Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе, встретился со своим учеником Джеймсом Финном.

Вспоминая этот вечер, Хамнер рассказывал мне, какой бурной была их беседа с Финном, и я в который раз поражался тому, сколь неожиданны подчас пути возникновения научных идей. «До сих пор, — говорил Хамнер, — мы не можем вспомнить, кому первому из нас пришла в голову эта мысль; да это, собственно, и безразлично».

Сама проблема и идея ее разрешения касались следующего: имеют ли живые часы внутреннюю природу или работа их зависит от постулируемых профессором Брауном неизвестных геофизических факторов.

Хамнер был склонен признать правоту Брауна. Во всяком случае влияние его рабочей гипотезы определило направление исследований, выполненных под его руководством студентами Северо-западного университета. Эти исследования убедительно показали, что присутствие магнита может изменять направление движения улиток. А это означает, что улитки действительно способны воспринимать направление силовых линий магнитного поля.

У Финна вся эта история с улитками вызвала большие сомнения, тем более что некоторые выводы Брауна основывались, с его точки зрения, на статистически недостоверных результатах. Но даже если согласиться с тем, что улитки чувствуют поле достаточно сильного магнита, то как они могут воспринимать магнитное поле Земли? Ведь напряженность его очень мала, она едва достигает половины гаусса. Маленький магнитик и тот в пять-десять раз сильнее такого поля. Как может столь примитивно устроенный организм, как улитка, улавливать незначительные изменения в силе, которая сама по себе так мала?

Профессор поглядывал на студента с одобрительной улыбкой, ему нравилось, как Финн аргументировал свои рассуждения. Но в то же время он знал, что Браун не будет выдвигать серьезных положений без основательной экспериментальной проверки. Кроме того, Браун не настаивал на исключительной роли магнитных полей в регулировке работы живых часов. Он лишь показал в условиях эксперимента, что поведение конкретного организма может регулироваться конкретным воздействием. А если это так, то вполне оправданно его предположение, что какая-то внешняя сила, пока неизвестная, действительно определяет работу живых часов.

Какие же силы, кроме магнитных полей, могут действовать в природе? Изменение концентрации электрических зарядов в атмосфере. Сила земного притяжения. Возможно, есть еще и другие силы космического происхождения, вроде тех, что связаны с солнечными пятнами.

Они задумались над тем, как устранить влияние факторов, связанных с вращением Земли, чтобы в таких условиях изучить поведение какого-нибудь организма. И вдруг им в голову одновременно пришла одна и та же мысль: «На земле есть два места, где все суточные изменения могут быть по существу исключены. Это географические полюса. Если организмы, находящиеся на полюсе, вращать в сторону, противоположную вращению Земли, со скоростью один оборот в сутки, влияние суточного вращения Земли должно бы полностью устраниться. В таких условиях организмы не смогут получать никакой информации о суточных изменениях во внешней среде, за исключением случайно вносимой экспериментатором или той информации, которая может быть связана с суточным движением магнитного полюса относительно географического».

Рис. 50. Карл Хамнер в Лос-Анджелесской теплице. На переднем плане растения дурнишника, на заднем — сои сорта Байлокси.

Радостное возбуждение, охватившее обоих энтузиастов, не помешало им очень быстро оценить всю трудность создания настоящей биологической лаборатории на любом из полюсов. Можно ли сохранить там растения и животных хотя бы просто живыми? И насколько вообще все это практически осуществимо? Ведь для этого нужны огромные средства.

Но денег не было и не предвиделось. Прошло почти три года. Финн защитил докторскую диссертацию, Хамнер продолжал выращивать в теплице дурнишник и сою, на которых изучал гормон, ответственный за цветообразование у растений.

Однажды, перелистывая журнал Science, Хамнер наткнулся на небольшое объявление. В нем говорилось, что Национальная программа антарктических исследований, финансируемая Национальным научным фондом, рассматривает индивидуальные проекты исследований, которые могут быть выполнены в полярных условиях. Он сразу же вспомнил об экспериментах, которые они с Финном обдумывали три года назад. Южный полюс или Северный, какое это имеет значение? Результаты должны быть одинаковыми.

Так в январе 1960 года на столе руководителя антарктическими исследованиями появился проект о проведении на Южном полюсе Земли исследований ритмов у растений и животных.

Пока это предложение обсуждалось в Вашингтоне, Хамнер неожиданно получил приглашение принять участие в работе Международного симпозиума по биологическим часам. Его уведомляли, что международная аудитория симпозиума интересуется результатами его работы о влиянии световых циклов различной продолжительности на суточные ритмы растений.

Хамнер перечитал письмо еще раз. Биологические часы— это как раз то самое, что начинало интересовать его все больше и больше. Он поедет на симпозиум, на котором будут присутствовать все мировые авторитеты в области изучения ритмов, и попытается выяснить их мнение о задуманных им экспериментах на Южном полюсе.

В июне 1960 года в Колд-Спринг-Харборе Хамнер внимательно прослушал сложный и спорный доклад Брауна «Геофизические факторы и проблема биологических часов». Доклад заканчивался так: «Имеются веские основания считать, что живые организмы вполне полагаются на этот зависящий от геофизических факторов часовой механизм. Поскольку организм представляет собой, по-видимому, такую тонко уравновешенную систему, которая может улавливать малые флуктуации как известных, так и неизвестных геофизических факторов, возникает вопрос, насколько существен весь этот комплекс геофизических факторов для самой жизни. Если живые существа приспособились использовать некоторые из этих факторов для ориентации во времени и пространстве, то каковы пределы изменения геофизического антуража жизни, в которых общая картина жизни на нашей планете не нарушалась бы?»

После Брауна на трибуну поднялся Бюннинг, профессор Тюбингенского университета, который указал на факты, противоречившие, по его мнению, выводим Брауна.

На конкретных примерах собственных экспериментов с растениями он показал, что ни в одном из этих экспериментов не было обнаружено ничего, что могло бы говорить о зависимости растений от какого-либо внешнего фактора. Поэтому он не усматривает никаких оснований даже для поисков таких факторов, но считает необходимым добавить, что отсутствие данных о влиянии внешних факторов в одних случаях не исключает, что в других случаях эти факторы могут влиять на эндогенную периодичность.

Взяв слово, Карл Хамнер изложил свое предложение:

В ответном выступлении Браун заметил, что положительные результаты такого эксперимента были бы очень интересны. Но он предостерег от неправильной интерпретации отрицательных результатов, поскольку в этих экспериментах всегда надо учитывать, например, сложное суточное движение магнитных полюсов относительно географических.

Хамнер, прекрасно осведомленный о существовании этого осложнения, был убежден, что любые эффекты, которые могут быть внесены этой переменной, будут несущественными. В перерывах между заседаниями он побеседовал со многими исследователями ритмов и получил полнейшее одобрение подготовке экспериментов на Южном полюсе. «До выхода лаборатории в космическое пространство самым лучшим, на что можно сегодня надеяться, будут ваши данные».

Поэтому, узнав в июле 1960 года, что его проект одобрен, он немедленно вызвал наиболее подходящих для выполнения столь ответственного мероприятия сотрудников— Сирохи, Хошизаки и Карпентера — и изложил стоявшую перед ними задачу. В пределах ассигнованной фондом суммы и за очень короткое время они должны подготовиться к отъезду на Южный полюс с лабораторией, полностью оборудованной для количественных биологических исследований.

Основные приготовления сводились к подбору пяти различных организмов и к изготовлению оборудования и приспособлений, необходимых для содержания этих организмов в хорошем состоянии и для записи ритмов их активности. Каждый из отобранных организмов должен был обладать четко выраженным ритмом, а экспериментальные методы регистрации этих ритмов должны были быть хорошо отработанными.

Золотистые хомячки будут помещены в клетки с вращающимися барабанами, соединенными с регистрирующим устройством, так что периоды двигательной активности хомячков будут выглядеть черными полосами на движущейся ленте, а периоды покоя — чистыми участками. Движения листьев у выращенной из семян фасоли будут фиксироваться на инфракрасной пленке при помощи цейтраферной камеры. Плесневый гриб Neurospora crassa будет расти в стеклянных пробирках с питательной средой. Ежедневное нарастание гриба, проявляющееся в виде чередующихся полос, будет оставлять на стекле его собственную запись активности, которая может регистрироваться прямым наблюдением и фотографированием. Плодовые мушки, содержащиеся в сосудах, отложат там яйца, из которых в дальнейшем появится новое поколение дрозофил. Через определенные интервалы времени вновь народившиеся особи будут усыпляться и подсчитываться. Легкие вращающиеся барабанчики для тараканов будут соединены с регистрирующими устройствами. Кроме того, активность тараканов можно регистрировать с помощью покадровой киносъемки.

Предстояло разработать и построить вращающиеся столы и механизмы, которые обеспечат их вращение. Для поддержания постоянной скорости вращения будут использованы синхронно работающие моторы. Кроме исходного условия вращения в направлении, противоположном вращению Земли, в конструкции этих столов будут предусмотрены самые разные скорости и направления вращения.

Одним словом, все, что может понадобиться, исследователи должны взять с собой. Даже самые обычные инструменты, вплоть до молотка и отвертки. Пластиковую теплицу и складные алюминиевые колышки для ее установки, рулон светонепроницаемой ткани для создания в теплице периодов постоянной темноты, искусственную почву и искусственные питательные составы для растений, пленку, фотореактивы, термометры.

Через несколько месяцев они были готовы к отъезду.

Самолет со скрипом тормозит на снегу. Хамнер выскакивает из него, чтобы как можно скорее оттащить контейнеры с драгоценным живым грузом в ожидавшее их натопленное помещение. Не успевает он схватиться за первый ящик, как к нему подходит врач. Он приветствует Хамнера и советует не увлекаться излишними физическими нагрузками. Станция Южный полюс находится на высоте трех тысяч метров, и воздух сильно разрежен. Кроме того, сорок градусов ниже нуля.

Хамнер поражен. Минус сорок градусов даже летом! Нужно немедленно спасать живой груз! Общими усилиями все скоро было размещено в старом гараже, где воздух нагревался и вентилировался, а температура поддерживалась на уровне двадцати градусов.

В этом надежно защищенном от антарктического холода помещении Хамнер и его группа начали готовиться к проведению экспериментов. Чтобы животные не переохладились, их разместили на столах почти в метре от пола. Для поддержания определенного уровня температуры и влажности на складных алюминиевых кольях растянули пластиковое покрытие. К потолку подвесили мощные люминесцентные лампы. Семена сои поместили во влажный вермикулит и поставили для прорастания. Пробирки с Neurospora завернули в темную ткань, так что его рост продолжался теперь в полной темноте. Отладили тонко сбалансированные барабанчики для тараканов и проверили регистрирующие устройства для вертящихся колес в клетках с хомячками. Проверили культуры плодовых мушек в молочных бутылках и отобрали часть из них для экспериментов. Установили вращающиеся столы, проверили моторы и передачи. Уже через неделю после их прибытия на полюс все было готово к началу экспериментов.

Рис. 51. Опыт на Южном полюсе показал, что ритмика выхода мушек из куколок не зависит ни от каких факторов, связанных с вращением Земли.

Полностью выключив в пластиковой теплице освещение, привели во вращение столики и включили инфракрасный свет. Цейтраферная камера должна была регистрировать положение листьев проростков фасоли каждые двадцать секунд. В сущности, это очень напоминало замедленную киносъемку, в инфракрасных 'лучах.

С помощью той же системы записывали двигательную активность тараканов. Вращающиеся барабанчики оказались слишком чувствительными и работали ненадежно; вместо них использовали фотокамеру. Запись на пленку позволяла хотя бы приблизительно оценить активность тараканов. Изображения насекомых в спокойном состоянии были резкими, в активном — расплывчатыми.

Запланированная Хамнером программа научных исследований была выполнена за месяц. Четыре объекта из пяти дали однозначные ответы.

Хомячки, плодовые мушки, растения фасоли и плесневые грибы продемонстрировали совершенно четкие ритмы. Содержались ли они на полюсе неподвижными, вращали ли их на столах в сторону вращения Земли или в противоположном направлении, не имело никакого значения. Не имела никакого значения и скорость вращения столов, — один оборот за 12 часов, одни, четверо или шестеро суток. Ритмы сохранялись при всех этих условиях, как если бы с организмами ничего необычного и не произошло. Как будто они и не покидали Лос-Анджелеса.

Определенного ответа не дали только тараканы. Хамнер объясняет это отчасти тем, что у его группы не было опыта работы с этими насекомыми, но главным образом тем, что тараканы экспериментальной линии никогда не обнаруживали четко выраженного ритма активности.

Карл Хамнер подвел итог своих экспериментов следующим образом:

Но оставался еще один вопрос. Хамнер прекрасно помнил замечание Брауна о том, что в случае получения отрицательных результатов останется без ответа вопрос, как влияет на живой организм вращение магнитного полюса вокруг географического. Чтобы ответить на него, Хамнер, вернувшись в Лос-Анджелес, провел очень остроумный эксперимент.

Исходя из того, что магнитное поле Земли составляет около половины гаусса, он решил, что изменение положения магнитного полюса относительно станции на Южном полюсе оказало бы на организмы заметно меньшее действие, чем их вращение на столе в присутствии магнита. Если он сможет показать, что значительно большие колебания магнитного поля не оказывают влияния на ритмы подопытных животных, аргумент Брауна потеряет свою силу[18].

Поэтому он установил у себя в лаборатории большой стол, вращающийся с той же скоростью, что и столы на Южном полюсе, и поместил рядом с ним сильный постоянный магнит. Живой организм, находящийся на столе, должен был подвергаться действию магнитного поля в 25 гауссов (в пятьдесят раз сильнее магнитного поля Земли), когда приближался к магниту, и только в 2/3 гаусса, когда находился в максимально удаленном от магнита положении. На край вращающегося стола были поставлены фасоль, грибы и плодовые мушки тех же линий, которые испытывались на полюсе. И ни разу это чрезмерно усиленное магнитное поле не нарушило суточных ритмов ни одного из организмов.

По мнению большинства биологов, результаты Карла Хамнера дали окончательный ответ на вопрос о влиянии на ритмы организмов некой неуловимой геофизической силы.