Живые часы

Послесловие

Перед нами популярная книга по биоритмологии — вероятно, одна из первых попыток популярного изложения проблем этой молодой науки.

Автор книги не специалист-биолог. Но с проблемами биоритмологии он знаком не только по книгам. Р. Уорд объехал лаборатории многих крупных биоритмологов, наблюдал их работу, вникал в суть их экспериментов. На страницах своей книги Р. Уорд не стремился выступать в роли арбитра, он просто изложил в отдельных очерках-главах суть работы каждого из ученых, стараясь сделать это максимально понятно. Поскольку повествование начинается с самых ранних исследований (XVIII век), книга получает богатство измерений, позволяющее видеть проблему объемно и в развитии. Такой исторический ракурс показывает, сколь трудным и противоречивым было становление науки, какими сложными и порой совершенно неожиданными путями ученые добирались до истины.

Одна из основных задач автора — показать, как развивается исследование, как появляется первый проблеск новой идеи, как постепенно она приобретает все более четкую форму, как совершенствуется в борьбе со старыми, солидными и, казалось бы, не подлежащими сомнениям теориями.

Идея без доказательств — пустое сотрясение воздуха. А чтобы доказать ее правильность, нужны факты, эксперименты. И тут нередко оказывается, что самый опасный враг идеи — ее автор. Находясь во власти собственных концепций, более чем легко просмотреть случайные погрешности в методике, кажущиеся такими несущественными, а на деле роковые для эксперимента. И это вполне понятно: ничто не может сравниться с восторгом исследователя, когда он получает результат, четко отвечающий на поставленный им вопрос, результат, который, по его мнению, может быть истолкован только однозначно и ни в коей мере не объясняется какими-нибудь ошибками или случайностями. Как трудно порой выйти за рамки представлений, сложившихся под влиянием образования и авторитетов! А еще труднее заметить и оценить факт, противоречащий собственной концепции.

Теперь о главном — о самой биоритмологии. Ей нет еще и пятнадцати лег. Годом ее рождения можно считать 1960 год, когда в Колд-Спринг-Харборе собрался большой симпозиум, на котором присутствовали специалисты, работавшие в различных областях биологии и медицины— на разных объектах они решали, по существу, одни и те же проблемы. Не нужно думать, что после этого симпозиума развитие биоритмологии пошло вперед семимильными шагами. И сегодня еще слишком многие вопросы остаются нерешенными.

Основные проблемы биоритмологии изложены автором довольно полно и достоверно. Но форма изложения — в виде отдельных очерков — несколько затрудняет восприятие этих проблем. Поэтому остановимся на них вкратце.

Книга называется «Живые часы». Этот не так давно появившийся термин — «живые, или биологические, часы» — не совсем точен. Часы — это механизм, специально построенный и предназначенный для измерения времени. Животные же и растения измеряют время благодаря ритмам каких-то тонких физиологических процессов, которые, по-видимому, исходно служат совсем другим целям. В организме можно наблюдать целый спектр ритмических процессов: от высокочастотных колебаний органических молекул до колебаний, длящихся доли секунды, минуты, часы и даже годы. Периоды одних ритмических процессов все время меняются (в этих случаях говорят, что частота ритмов «плавает»), периоды других отличаются удивительной точностью. В принципе достаточно иметь несколько очень точных по частоте, пусть даже высокочастотных колебаний, чтобы на основе их взаимодействия получить большой спектр самых разнообразных, в том числе очень низких частот. Надо только, чтобы частоты этих исходных колебаний несколько отличались друг от друга.

Пульсации — это признак всего живого. Не случайно, чтобы узнать, жив ли человек, проверяют, бьется ли его сердце и дышит ли он, то есть сокращаются ли ритмично его сердце и легкие. Но колебания-пульсации — это характеристика не только живого. Мы встречаемся с миллионами различных колебаний среди неживых компонентов биосферы, в геофизических процессах и вообще в любых процессах во Вселенной. Естественно, что многочисленные собственные ритмы организма не могут не взаимодействовать с еще более многочисленными ритмами среды. И не менее естественно, что именно те ритмы организма, которые совпадают по частоте с ритмами неживой среды, становятся доминирующими и приобретают большую точность.

В связи с этим стоит упомянуть один из аспектов изучения ритмов, который автор затрагивает лишь вскользь. Крупнейший исследователь поведения животных В. Торп предполагал, что ритмы — это результат научения. Животное с самого начала своей жизни воспринимает многократно повторяющиеся, регулярные явления и запоминает эти циклы. На столь различных биологических объектах, как комары и клетки-меланофоры кожи земноводных, удалось показать, что эти объекты могут «запомнить» и потом воспроизвести совершенно необычный ритм, например с двухчасовым периодом. Этот эксперимент выглядит следующим образом.

Создается искусственный режим, в котором чередуются час света и час темноты. Животное определенным образом реагирует на включение света и на наступление темноты. После многократного повторения такого светового цикла объект переносится в камеру, постоянно темную или постоянно слабо освещенную. А животное продолжает вести себя так, словно свет по-прежнему включается и выключается с часовым интервалом. Заученный ритм поведения объектов наблюдается на протяжении некоторого времени, а потом, не подкрепленный световыми циклами, постепенно «забывается».

Это явление можно назвать реакцией, или рефлексом, на время. Правда, такое определение не отвечает на вопрос, каким же образом организм измеряет столь непривычные для него интервалы времени. Либо в организме уже имелась такая периодичность, либо она возникла под влиянием светового цикла.

Вспомним, что мы говорили о грандиозном спектре ритмов у организмов. Немножечко фантазии.

Почему бы не предположить, что данный нами искусственный цикл (час света — час темноты) или совпадает с каким-то уже имевшимся в организме ритмом, или же, употребляя технический термин, затягивает какой-то внутренний ритм, близкий ему по частоте. Если раньше этот ритм ничем не выделялся среди прочих, то теперь клетки «запомнят» совпадение между ним и внешним световым циклом. И чем больше будет таких случайных совпадений, чем дольше животное будет воспринимать необычный световой цикл, тем тверже «запомнится» это совпадение.

Но вот мы убрали внешний световой цикл, а клетка продолжает подчиняться внутреннему ритму, который как бы сообщает ей: «Готовься — сейчас включится свет». Последнего не происходит раз, другой, третий, и связь без подкрепления «забывается». Внутренний ритм, по-видимому, остается, только теперь он опять ничем не выделяется среди прочих.

Что же можно сказать о суточных циклах вращения Земли, влиянию которых животные и растения подвергались на протяжении миллионов поколений? Не потому ли суточный ритм, а также лунный и годичный стали доминировать над другими?

Но так или иначе, а внутренний ритм, совпадающий по длине своего периода с одним из обычных циклов внешней среды, возник. Если внешний цикл изменяется, сдвигается во времени, к нему подстраивается и ритм организма. Это показывают эксперименты, а биоритмологи делают вполне логичный вывод: изменение каких-то факторов внешней среды является сигналом, регулирующим ритм организма и синхронизирующим его с ритмом внешней среды.

И все же удивляет проявляющаяся как у автора, так и у большинства биоритмологов тенденция считать изменения внешней среды только сигналами, регулирующими ритм во времени. Такого не может быть. Ведь любой организм — будь то животное или растение — должен как-то реагировать на изменения среды, иначе он погибнет. Действие любого воспринимаемого фактора может быть двояким. С одной стороны, объект реагирует на сам фактор как таковой, с другой — этот же фактор является сигналом времени, и объект реагирует на его совпадение или несовпадение с определенной фазой внутреннего ритма. Конечно, у многих объектов трудно отделить непосредственное влияние фактора от его сигнального воздействия, а у некоторых высокоорганизованных объектов, таких, как птицы или млекопитающие, сам по себе внешний фактор может восприниматься практически только как сигнал.

Для того чтобы убедиться, что ритм действительно является спонтанным, объект помещают в условия постоянной темноты или непрерывного освещения при постоянной температуре. Ритм в таких условиях обычно сохраняется, однако его период, как правило, становится больше или меньше 24 часов, то есть циркадным. Иными словами, ритм организма расходится с местным временем, живые часы спешат или отстают.

Как вы думаете, почему это происходит? Потому что нет никаких сигналов, которые заставили бы ритм быть 24-часовым. Тут-то он и проявляет свой естественный период, например 22 или 25 часов. Правда, есть одна маленькая деталь — этот период зависит от уровня постоянной освещенности. Но это не так уж важно, освещение ведь постоянное, никаких сигналов времени оно не дает. А период ритма повторяется с удивительной точностью.

Автор книги, следуя за мировыми авторитетами, называет такой ритм естественным, или свободнотекущим. По его мнению, в постоянных условиях проявляется спонтанный ритм объекта как таковой, без каких-либо наслоений, внесенных внешними сигналами.

Вы только вдумайтесь — естественный ритм при постоянном освещении и постоянной температуре. Условия-то совершенно неестественные! Не следует забывать, что перед нами живой организм, а не часы. И живет он совсем не для того, чтобы измерять время. Представьте себе, например, несчастную мышь, в глаза которой постоянно светит лампочка. По мнению большинства исследователей, именно в таких условиях у нее и будет проявляться «естественный» ритм. Не проще ли считать, наоборот, настоящим, естественным ритмом тот, который проявляется в естественно меняющихся условиях: в лесу, в поле… Если же организм насильно поместили в искусственные постоянные условия, то его ритм безусловно должен исказиться — «живые часы» начинают идти неверно. Иначе не может быть — живое существо не может безразлично относиться к условиям, в которых оно находится.

Ритм с периодом, отличным от суточного, возникает в постоянных условиях и у человека. Период такого ритма, как правило, больше 24 часов. Но тут, видимо, явление несколько иного порядка — нам всегда не хватает 24 часов в сутки.

Наши опыты с так называемым «свободным выбором условий» подтверждают, что отклонение периода ритма от 24 часов возникает в результате воздействия на организм принудительных постоянных условий. Многие насекомые в период покоя прячутся в щели, под листву, в какие-то другие укрытия. При классической постановке эксперимента (постоянный свет или темнота) у этих насекомых, так же как и у других объектов, внутренние часы начинают спешить или отставать. Представьте себе камеру, одна половина которой освещена, а другая затемнена. На одной стороне камеры постоянный день, на другой — постоянная ночь, и из одной половины в другую можно свободно переходить. Оказывается, что при таком свободном выборе условий насекомые перемещаются то в светлую половину камеры, то в темную. И, что самое важное, период их ритма суточный — точно 24 часа без каких-либо отклонений. Нет принудительных условий— нет циркадного искажения ритма.

Поставим перегородку, отделяющую светлую половину камеры от темной, и будем регистрировать ритмы насекомых отдельно в каждой половине. Как и следовало ожидать, окажется, что периоды ритмов насекомых становятся соответственно больше или меньше 24 часов.

Теперь о главном вопросе биоритмологии — о механизме измерения времени организмом. Здесь дело не пошло дальше многочисленных гипотез, но ни одна из них не дает исчерпывающего объяснения известных в настоящее время фактов.

Наиболее убедительной представляется гипотеза, выдвинутая в конце 40-х годов физиологом растений Д. А. Сабининым. Согласно этой гипотезе, в основе механизма биологического измерения времени лежит работа системы нуклеиновых кислот (ДНК и РНК). Во всяком случае, совершенно очевидно, что биологические ритмы — это такое же кардинальное свойство всего живого, как и наследственность; следовательно, механизм работы часов и механизм работы нуклеиновых кислот могут иметь много общего…

Биологов всегда поражали точность работы биологических часов и их относительная независимость от температуры. Не случайно и сейчас ряд исследователей отрицают возможность такого точного измерения времени самим организмом. По их мнению, организм воспринимает какой-то периодический фактор X и таким образом узнает о времени. И в самом деле, ритм животных, заключенных в термостат, неодинаков в разные дни. Насекомые, например, отлично чувствуют погоду. А если они сквозь стены здания и термостата узнают, какая сегодня погода, то почему бы им не воспринимать и суточные изменения метеорологических и вообще геофизических факторов?

Тем не менее факты, приведенные в книге, неоспоримо доказывают, что во многих, если не в большинстве, случаях ритмы спонтанны и существуют независимо от какого бы то ни было фактора X.

Точка зрения исследователя зависит от того, какими ритмами он занимается, с какими организмами работает и насколько велико многообразие ритмов, охватываемых его исследованиями. Практически все, кто имеет дело с суточной ритмикой, говорят о спонтанности ритмов. Но если приходится заниматься лунными, приливными или сезонными ритмами, то их спонтанность признать значительно труднее. Ведь для измерения солнечно-суточного интервала времени (24 часа) нужны одни часы, лунно-суточного (24,8 часа) — другие, годичного — третьи. И все эти часы должны обладать исключительной точностью. Не слишком ли много для одного организма? Не проще ли предположить, что хотя бы часть этих ритмов воспринимается извне?

А вообще, правильно ли, что специалист, работая с одним-двумя объектами, пытается дать ответ на вопрос, общий для всех живых организмов? В самом деле, один организм живет в условиях с резко выраженными суточными изменениями; другой, например куколка насекомого, находится под толстым слоем земли или в такой глухой щели, где одинаково темно и ночью и днем. Почему бы ей не воспринимать необычные сигналы времени? Это было бы биологически вполне обоснованно. Тем более, известно, что насекомые чувствительны к электрическим полям, уровню ионизации воздуха и некоторым другим геофизическим факторам. В частности, недавно было обнаружено, что ритмы пещерных кузнечиков, живущих в постоянной темноте, имеют приблизительно 12- и 24-часовые периоды. Максимумы этих ритмов соответствуют максимумам напряжений земной коры, которые возникают, подобно морским приливам, под воздействием притяжения Луны и Солнца.

Ритм служит организму не только для того, чтобы согласовывать его поведение с ходом внешних условий. Ведь «живые часы» — это, как мы уже говорили, лишь образный термин. Дело обстоит гораздо сложнее. Уже давно известно, например, что двигательная активность золотистых хомячков имеет четко выраженный спонтанный ритм. Но Э. Бюннингу удалось показать, что и у кусочка кишечника хомячка, помещенного в сосуд с физиологическим раствором, тоже можно обнаружить ритм: его перистальтические движения меняются в зависимости от времени суток. Где же в таком случае локализованы часы хомячка?

Сейчас уже ни для кого из ученых не секрет, что каждый процесс в каждой живой клетке более или менее ориентирован во времени. Многоклеточный организм несет в себе сложнейшую иерархическую систему «живых часов». Эта «временная организация биологических систем» жизненно необходима. Ни один организм не может существовать без согласования во времени всех внутри и внеклеточных процессов.

Временная организация живой системы — это не что-то сугубо автономное; для нее необходимы внешние сигналы, влияние естественной ритмической среды. Некоторое время организм, по-видимому, может существовать в аритмичной среде. Но подобное нарушение временной организации — отсечение ее внешней компоненты — рано или поздно сказывается на состоянии организма, приводя к снижению его жизнеспособности и, в конечном счете, к гибели. Как бы ни был развит спонтанный ритм — он один не может заменить ритмическое многообразие среды. Совсем недавно К. Питтендраю и его сотрудникам удалось показать, что условия постоянного освещения, а также неестественных световых режимов (не кратных 24 часам) резко снижают продолжительность жизни дрозофил. Мы в своих экспериментах обнаружили, что ритм дрозофил заметно нарушает не только постоянный свет, но и постоянная темнота.

Теперь несколько слов об исследователях, работающих над самыми разными проблемами биоритмологии. Автор знакомит нас с работами многих крупнейших ученых мира. И все же его выбор в той или иной мере случаен. Иначе он несомненно остановился бы более подробно на работах физиолога-медика Ф. Халберга, биохимика Дж. Гастингса, экологов Дж. Клаудсли-Томпсона и Ф. Корбета.

Много интересного можно было бы рассказать о работах Й. Шиманского, выполненных в начале нашего века, о блестящих исследованиях в области ориентации животных и физиологии суточных ритмов, которые проводятся под руководством профессора Г. Бирукова в Геттингенском университете (ФРГ).

Крупнейший советский исследователь А. Л. Чижевский всю свою жизнь занимался изучением влияния солнечных многодневных и многолетних ритмов на биологические объекты. Написанные им в двадцатые годы статьи признаны классическими. Больше всего его интересовало влияние циклов солнечной активности на частоту заболеваний и физиологическое состояние человека.

Вопросом об измерении времени живыми организмами интересовался И. П. Павлов; продолжатели его работ М. Е. Лобашев и В. Б. Савватеев, изучая так называемый «рефлекс на время», поставили ряд интереснейших экспериментов.

Широко известны капитальные работы по экологической физиологии ритмов, проведенные под руководством А. Д. Слонима. В несколько ином плане решался вопрос о ритмах Н. И. Калабуховым. Совсем другой аспект биоритмологии — ритмические колебания иа молекулярном уровне и другие физико-химические процессы, вероятно, лежащие в основе измерения времени, — разрабатывается С. Э. Шнолем, Е. Е. Сельковым и другими.

Нельзя не упомянуть авторов книг по биоритмологии А. М. Эмме, Н. А. Агаджаняна, А. П. и П. П. Голиковых. Проблему временной организации системы репродукции клеток исследует Ю. А. Романов. Ритмами митозов, а также физиолого-экологическими аспектами ритмов различных позвоночных животных занимаются В. Н. Доброхотов, Г. В. Кузнецов и Е. В. Кузнецов. Очень интересные исследования по регуляции ритмов клеток-меланофоров проводились на кафедре эмбриологии МГУ В. А. и И. Ф. Голиченковыми. Выполнены серии работ по физиологическим ритмам у растений группами профессора Б. А. Рубина (МГУ) и профессора И. И. Гунара (Тимирязевская сельскохозяйственная академия).

Трудно перечислить всех советских исследователей, изучающих те или иные проблемы биоритмологии. Немало сделали и энтомологи. Насекомые — вообще благодатнейший объект для изучения ритмов. Крупнейший вклад в изучение фотопериодизма у насекомых внес известный ленинградский энтомолог А. С. Данилевский. В настоящее время это направление, обогащенное исследованиями по регуляции суточных ритмов, успешно развивается группами В. П. Тыщенко и Н. И. Горышина. Вопросами физиологических ритмов насекомых (и суточных, и сезонных) занимается лаборатория Р. С. Ушатииской.

Наша группа, работающая в МГУ, изучает регуляцию ритмов внешними условиями, а также причины циркадного отклонения периода ритма в постоянных условиях.

Такой интерес к биологическим ритмам связан не только с большим общебиологическим значением проблемы.

Искусственный фотопериод оказался могучим средством, позволяющим добиваться массового цветения и плодоношения растений, высокой плодовитости животных. Используя фотопериодическую реакцию насекомых, можно вести борьбу с вредителями сельскохозяйственных культур. Другой практический аспект связан с давно известным фактом, что физиологическое состояние любого организма ритмически изменяется. Любой лекарственный препарат, любой яд, любая радиация будут по-разному влиять на организм в зависимости от времени суток, времени года и, возможно, лунного месяца.

В наш век высоких скоростей, когда люди быстро перемещаются на большие расстояния, возникают состояния, которых раньше не знали. Дипломат, инженер, врач, ученый, спортсмен, перелетевший из одного часового пояса в другой, в первые дни оказывается неспособным работать с полной отдачей сил. Не так-то легко и безболезненно перевести биологические часы с одного времени на другое.

И наконец, регуляция биологических ритмов наряду с влиянием невесомости — одна из основных проблем в исследовании и освоении космоса. В самом деле, все живые организмы — это неотъемлемая часть биосферы. Мы уже говорили о том, что происходит с человеком при перелете из одного часового пояса в другой. При подобных нарушениях ритмики пропадает согласованность физиологических функций, развивается так называемый десинхроноз. Пример последствий такого экспериментального десинхроноза приводится в книге — опухоли, возникающие в кишечнике таракана.

Что произойдет с живыми организмами при длительном полете в открытом космосе, где они будут полностью изолированы от всех ритмов биосферы? А если они попадут на другие небесные тела с их совершенно иными, непохожими на земные ритмами? Какой надо создать комплекс условий, чтобы в отрыве от Земли земные организмы могли нормально жить, развиваться и размножаться?

Ответ на эти вопросы дадут будущие исследования. Но и сейчас уже совершенно ясно, что освоение человеком космоса вызовет бурное развитие биоритмологии.