Наши партнеры

О любых событиях, происходящих с правильной периодичностью во времени или пространстве, говорят, что им свойствен ритм. Когда периодичность сохраняется и в отсутствие внешних воздействий, ритм называют эндогенным. Примером могут служить «сонные» движения некоторых растений, особенно из семейства бобовых (Phaseolus, Mimosa, Albizzia, Sa-manea и др.). Листья этих растений обычно днем бывают расположены горизонтально, а ночью — вертикально (никтинастия). Такие движения легко наблюдать, соединив лист тонкой ниткой с писчиком кимографа. Записи показывают, что листья начинают раскрываться до наступления светлого периода, а складываться — до наступления темноты. Таким образом, движения листьев, по-видимому, совершаются как бы в предвидении рассвета и сумерек, что указывает на действие каких-то других факторов помимо света и темноты.

Данные о существовании «внутренних часов» были получены в опытах, в которых лист несколько дней держали в темноте при постоянной температуре. Оказалось, что при этом ритмические движения продолжаются с периодом около 23 ч.

Такие ритмы с периодами 20—30 ч (т. е. около суток) получили название циркадных, от латинских слов circa — около и dies — день. Клеточный механизм, генерирующий ритм, обычно называют биологическими часами; положение листа в любой момент цикла показывает «циркадное время» (время, контролируемое внутренним осциллятором). Так как движения листьев у такого рода растений служат довольно точными индикаторами циркадного времени, их иногда называют «стрелками биологических часов». Циркадные колебания этого типа встречаются по существу у всех эукариотических организмов, включая микроорганизмы, растения и животные.

Природа осциллятора

Какова физическая основа этих эндогенных циркадных ритмов? Это трудно выяснить, так как каждая клетка гораздо сложнее, чем мы себе представляем, а весь организм — агрегат из многих клеток — еще более сложен. Некоторые аспекты этой сложности можно непосредственно видеть, например, с помощью электронного микроскопа; другие можно выявить физическими и химическими методами, как, скажем, при изучении структуры макромолекул белка и нуклеиновых кислот; о третьих удается заключить лишь косвенным образом, исходя иэ сложности поведения биологических систем. Именно с этой последней ситуацией мы и сталкиваемся, наблюдая эндогенные ритмы.

Чтобы узнать что-нибудь о природе осциллятора, многие исследователи пытались выяснить, какие условия могут изменить период (время, необходимое для одного полного цикла) или фазуритма. Предполагается,что любой эффективный фактор нарушает внутреннюю работу часов. Если бы мы воспрепятствовали колебанию листа Samanea, неподвижно закрепив его на несколько часов, то после освобождения он быстро принял бы то же угловое положение, что и незакрепленный контрольный лист. Таким образом, механическое препятствие мешает проявлению ритма, но не влияет на отсчет времени часами. Напротив, изменения освещенности и температуры,а также некоторые химические вещества (ионы K+, тяжелая вода, этанол) могут изменять фазу ритма. Обо всех эффективных в этом отношении веществах известно, что они влияют на свойства клеточных мембран. Это привело многих исследователей к мысли, что периодические изменения мембран являются составной частью«часового механизма».Мембранные поверхности окружают всю клетку и отдельные компартменты клеточного содержимого. Ритмически регулируя потоки метаболитов в клетку и из клетки, в органеллы и из органелл, биологические часы могли бы создавать ритмические изменения в химизме и физиологии клеток.

Подобного рода изменения в структуре мембраны действительно наблюдали у одноклеточной водоросли Gonyaulax. По-видимому, встречаемость в мембране некоторых белковых частиц, наблюдаемых в электронном микроскопе после замораживания и скалывания, изменяется с околосуточной периодичностью. Однако мы не знаем, как генерируются эти ритмические изменения в структуре мембраны. Это ключевой вопрос, на который нужно ответить, если мы хотим понять природу биологических часов.

Измерение времени, независимое от температуры

Жизнь растения