3. От Демэрана до Аррениуса

sci_biology Ритчи Уорд Живые часы

Биоритмология — одна из увлекательнейших областей современной биологии. Что такое «внутренние часы» живых организмов? Каковы принципы их работы? Как растения и животные узнают время? В темноте и при постоянной температуре, замурованные в подземельях, они все-таки «знают», который час. Растения вовремя складывают листья и «засыпают», животные ложатся спать и просыпаются точно, как по будильнику.

Обо всем этом в живой и увлекательной форме рассказывает автор «Живых часов». Книга предназначена для широких кругов читателей; особенно полезна она для школьников старших классов и студентов.

14 August 2011 ru Т. А. Никольская Saul Sorokin FictionBook Editor Release 2.6 14 August 2011 6BD45DB1-1BFC-4DD9-AE3E-D5BA309C60D5 1.0

1.0 — создание файла

Живые часы Мир Москва 1974

Предисловие

Биологические часы представляют, вероятно, одну из самых интригующих тайн современной биологии.

(Карл Хамнер, 1963)

Прошло более семи лет с тех пор, как я увлекся проблемой биологических часов и заинтересовался деятельностью ученых, работающих в этой области. За несколько больший период времени наука коренным образом переменила свой взгляд на ритмы, с помощью которых живые организмы могут измерять время. То, что было когда-то просто интересным разделом естествознания, превращается в одну из кардинальных проблем современной биологии.

Весной 1960 года в Колд-Спринг-Харборе состоялся Международный симпозиум по биологическим часам, на котором впервые ученые, представляющие самые разные направления в биологии, смогли обменяться мнениями по проблемам биоритмологии. Мысль о том, что все организмы — от одноклеточных растений до человека — обладают, а может быть, даже являются живыми часами, произвела глубокое впечатление на ученых.

Читателю-неспециалисту, конечно, ничего не было известно о далеко идущих последствиях этой идеи. Биологи, которые писали о биоритмологии, пользовались весьма специфическим языком. И нет ничего удивительного в том, что между знаниями образованного человека и важнейшими открытиями в этой области существует некоторый разрыв. Я попытался рассказать о живых часах читателям, которые не имеют специального научного образования, и мне хотелось бы надеяться, что книга им понравится.

Область эта настолько широка, что мне пришлось сильно ограничить выбор объектов исследования и личностей, о которых можно было бы рассказать.

Несомненно, что книга такого рода не могла бы появиться без помощи многих людей и прежде всего ученых, которые отвечали на мои бесконечные вопросы, объясняли и демонстрировали свои методы исследований и оборудование лабораторий, великодушно вели со мной длительную переписку.

Р. Р. У.

1. Ритмы жизни

…Научное мышление в биологии должно складываться на основе представлений о периодической изменчивости.

(В. Вольф, 1962)

Расцвет современных естественных наук, начавшийся с опровержения Галилеем аристотелевой физики, ознаменовался бурным развитием науки. Гигантские рывки были вызваны либо революционностью новых теорий, либо появлением новых методов исследования.

В области физики огромный скачок был сделан в первой половине XX столетия. Бурную активность исследователей вызвало знаменитое уравнение Эйнштейна, которое показало, что при превращении массы в энергию количество высвобождающейся энергии пропорционально квадрату скорости света. Эта концепция не только стимулировала поток новых экспериментальных работ в области физики, но со временем привела к появлению новой техники, которой было предназначено ускорить научно-технический прогресс. Наряду с уравнением Эйнштейна большую роль в развитии новых методов в физике сыграло открытие рентгеновских, или Х-лучей.

В наши дни ни у кого не вызывает сомнения, что вторая половина XX столетия принесет громадные успехи в области биологии. В 1953 году Дж. Уотсон и Ф. Крик сформулировали теорию строения молекулы ДНК, которая объяснила, каким образом воспроизводит себя ген — носитель наследственности в живых организмах. Эта концепция открыла дорогу новым экспериментам в биологии и явилась для исследователей ключом к более полному и глубокому пониманию процессов жизни. В настоящее время физиологи, биохимики, биофизики и бионики изучают причины появления наследственных аномалий, а также причины старения, злокачественного перерождения тканей и психических заболеваний. Понимание механизмов нарушения основных жизненных процессов приблизит человечество к исцелению от этих тяжелых недугов.

Примерно в то же время, когда в Кембриджском университете Дж. Уотсон и Ф. Крик разрабатывали структуру молекулы ДНК, Г. Крамер в институте Макса Планка изучал способность птиц к навигации. Серией блестящих экспериментов он показал, что свойственная птицам необыкновенная точность направленного полета зависит от их способности ориентироваться по Солнцу. И, что еще более важно, он обнаружил, что поведение птиц очень напоминает действия штурмана, пользующегося секстантом и хронометром. Птицы делают поправку на постоянное перемещение Солнца, сверяясь с каким-то своим внутренним механизмом, который можно сравнить с часами. После работ Крамера термин «биологические часы» стал общепринятым.

Бесчисленные наблюдения, свидетельствовавшие о том, что растениям и животным свойственна ритмическая активность, четко связанная со временем, накапливались веками. Но все это считалось не более чем просто интересным явлением живой природы. Гипотеза о наличии у живых организмов «биологических часов» послужила тем самым интеллектуальным толчком, который стимулировал плодотворные экспериментальные исследования во многих областях биологии.

Издавна было известно, что растения и животные обнаруживают периодически повторяющуюся активность. Ежесуточный цикл сна — бодрствования у человека, животных и некоторых растений очевиден. Столь же очевидны и месячные циклы, особенно те, которые связаны с лунным месяцем. Новая концепция вызвала необходимость в новых наблюдениях и их тщательном сопоставлении с уже имевшимися данными. Было установлено, что периоды повторяющейся активности живых организмов колеблются в очень широком диапазоне. Некоторые из таких периодов приближаются к тысячной доле секунды, тогда как другие составляют секунду или целый час. Наиболее широко изучаются ритмы, период которых приближается к 24 часам. Существуют также недельные и месячные ритмы, а у некоторых организмов определенные явления повторяются через каждые семь и даже семнадцать лет.

Рис. 1. Активность обычной золотой рыбки имеет выраженный суточный ритм, который сохраняется при неизменных условиях. Дж. Шиманский показал это еще в 1914 году.

Если организму жизненно необходимо повторять некое явление каждую тысячную долю секунды или один раз в семнадцать лет, то, надо думать, такая система должна быть обеспечена какими-то средствами для измерения проходящего времени. Только в этом случае она сможет эффективно функционировать. Ну а если растения и животные действительно содержат в себе некий часовой механизм, возникает целый ряд вопросов. В каком месте организма находятся эти «часы»? Как они работают? Помогает ли этот механизм в борьбе за существование, и если помогает, то каким образом?

В поисках ответов на эти вопросы биологи пришли к неожиданному открытию. Оказалось, что реакция организма на внешний раздражитель решающим образом зависит от той фазы ритмического цикла, в которой организм находится в данный момент. Ранее все наблюдения за естественными процессами, все тщательно спланированные лабораторные эксперименты выполнялись без учета этого обстоятельства.

В. Вольф, сотрудник Нью-йоркского университета, в своей работе, посвященной исследованию ритмических функций в живых системах (1962), писал, что периодические изменения в системе могут быть чрезвычайно серьезными. Действие одного и того же агента в одной фазе периодического цикла может быть благоприятным, в другой фазе того же цикла — губительным. Не исключено, что в свете гипотезы о биологических ритмах некоторые из полученных до последнего времени данных могут приобрести совершенно иное значение. С признанием ритмичности функционирования организмов многие до сих пор необъяснимые, едва заметные или значительные отклонения в действии фармацевтических, физиологических, химических агентов или агентов, влияющих на психику человека, станут, вероятно, более понятными. Весьма возможно, что какую-то часть имеющихся данных придется заново пересмотреть или отвергнуть вовсе, если принять во внимание все нормальные и аномальные вариации в ритмике биологических процессов. Подтверждением тому служат, например, наблюдения хирургов-отоларингологов из Таллахасси (штат Флорида), которые обнаружили, что послеоперационных кровотечений во второй четверти лунного месяца на 82 % больше, нежели в другое время.

Однако современные биологи резко расходятся во взглядах на природу биологических часов. Признанный авторитет в этой области, Дж. Л. Клаудсли-Томпсон называет три устоявшиеся точки зрения по этому вопросу:

1) биологические ритмы приобретаются в результате обучения;

2) биологические ритмы являются врожденными;

3) биологические ритмы связаны с реакцией организма на раздражители космического происхождения.

Каждая из этих гипотез имеет ярых приверженцев, но никто из них не располагает пока достаточными доказательствами своей правоты. Весьма возможно, что истина лежит где-то посредине.

Сегодня страсти еще бушуют, и, чтобы проследить историю становления новой науки, нам придется посетить различного рода лаборатории и научные учреждения, возглавляемые лидерами противостоящих лагерей. Но прежде необходимо, хотя бы кратко, ознакомиться с историческими предпосылками нынешнего столкновения идей. Рассмотрим поочередно каждый из трех вариантов возможного происхождения биологических ритмов, о которых говорит Клаудсли-Томпсон.

Сторонник первого направления В. X. Торп полагает, что чувство времени у животных может быть приобретенным в результате обучения, которое происходит подобно «запечатлению»: сразу же после рождения животное усваивает какой-либо навык и сохраняет его на всю жизнь. Впервые явление запечатления было обнаружено у новорожденных гусят, которые имели контакт только с кормившим их человеком. За несколько часов гусята усваивали, что человек является их родителем, и это так прочно запечатлевалось в их памяти, что они явно пренебрегали обществом других гусей и чувствовали себя спокойно лишь в присутствии человека. По мнению Торпа, биологические ритмы могут быть запущены самыми ранними впечатлениями молодого животного от суточного цикла и продолжают действовать в течение всей его жизни. Как ни странно, это предположение не вызвало большого интереса у биологов и не получило сколько-нибудь значительного отклика в научных публикациях.

Сам Клаудсли-Томпсон принадлежит к числу тех, кто полагает, что биологические часы являются врожденными. Сторонники этой теории выдвигают в ее пользу несколько аргументов. Один из них сводится к тому, что внутренние часы могли достигнуть высокой точности лишь в процессе естественного отбора: животные, часы которых спешили или отставали, имели меньше шансов выжить. Второй аргумент состоит в том, что живые часы, подобно снабженному компенсатором хронометру, сохраняют точность, несмотря на колебания температуры. Поскольку работой таких часов управляют скорее всего биохимические реакции, скорость которых возрастает с повышением температуры, должен существовать какой-то компенсирующий изменения температуры механизм, который мог возникнуть и закрепиться лишь в ходе естественного отбора.

Против врожденности первичного часового механизма резко и определенно возражает Ф. Браун, профессор биологии Северо-западного университета (США). Браун и его многочисленные сотрудники, уже более трех десятилетий изучающие ритмы животных и растений, убеждены в том, что главным началом, синхронизирующим все живые часы, являются потоки каких-то сил космического происхождения. Интенсивность этих потоков связана с фазами Луны и циклами солнечных пятен. Ритмические изменения этих сил имеют и часовой, и суточный, и месячный, и годовой периоды. Эти ритмы в свою очередь влияют на интенсивность многих других сил, непосредственно воздействующих на Землю. К таким силам относятся атмосферное давление, магнитное поле Земли, ионизация атмосферы, космические лучи и слабые электромагнитные поля различных радиоволн. Все эти воздействия настолько слабы, что кажется маловероятным, чтобы какой-то живой организм мог воспринимать изменения их интенсивности. И в то же время, если бы человек так же тонко чувствовал магнитное поле Земли, как чувствует его улитка Nassarius obsoleta, он мог бы обходиться без компаса в самом дремучем лесу, Браун писал: «В настоящее время доказано, что живые организмы действительно чрезвычайно чувствительны к очень слабым постоянным электрическим и магнитным полям, а возможно, и к слабым электромагнитным полям различных радиоволн. Такая чувствительность достаточна для восприятия естественных полей Земли».

По мнению Брауна, организмы располагают совершенно независимыми системами для определения времени по природным геофизическим периодам. «Все наши современные знания великолепно укладываются в рациональную схему работы биологических часов, которые зависят от постоянного ответа организма на едва уловимые геофизические раздражители окружающей среды».

Дж. Харкер, чья блестящая работа в Кембриджском университете показала локализацию главных биологических часов в живом организме, так сформулировала отношение ученых к этой гипотезе: «…Браун утверждает, что на организмы всегда влияют изменения окружающей среды, которые и служат сигналами времени. Это утверждение никоим образом не разделяет большинство изучающих биологические ритмы, однако до сих пор, по крайней мере среди опубликованных данных, нет никаких доказательств, которые опровергали бы факты, наблюдавшиеся Брауном».

Ответы на эти основные вопросы ищут в настоящее время многие ученые. Известный американский ученый и популяризатор науки А. Азимов заметил, что движущая сила человеческой любознательности — в потребности занять свой мозг значительно полнее, нежели это необходимо для обеспечения себя пищей и кровом: «Казалось бы, для повседневной жизни совсем не обязательно знать, как высоко небо или почему падает камень. Недосягаемое небо никак не связано с ежедневными житейскими делами, а что касается камня, то знание того, почему он падает, не помогает нам ни бросать его лучше, ни смягчать его удар. Тем не менее всегда находились люди, которые ставили перед собой такие с виду бесполезные вопросы и пытались ответить на них только из желания знать или от потребности мыслить».

После того, как «чистый» ученый построит теорию или откроет на ее основе новые факты, медики, агрономы, инженеры и другие представители прикладных специальностей подхватывают идеи и реализуют их в орудия производства, будь то машины или технологические процессы.

Так, например, Харкер в поисках внутренних часов у таракана столкнулась с тем, что изменение регулировки этих часов приводит к возникновению опухолей и гибели насекомых. Впоследствии мы увидим, какое влияние оказало это открытие на исследования Ф. Халберга, известного своими трудами в онкологии.

Не менее удивительна судьба открытия Брауна, обнаружившего, что картофель очень тонко реагирует на изменение атмосферного давления. Использованная им методика применяется сегодня при изучении реакции живых организмов (в том числе и космонавтов) на воздействия условий открытого космоса. Эти примеры со всей очевидностью показывают связь технического прогресса с научными достижениями и, что не менее важно, зависимость развития науки от прогресса в технике.

В этой книге мы рассмотрим процесс изучения биологических часов глазами и разумом тех, кто совершил в этой области важные открытия. Мы увидим неуверенные поиски, просчеты, ошибки, изумительное искусство ведения эксперимента, триумф интуиции ученого. Мы покажем тактику и стратегию науки, чтобы читатель мог понять те порой странные пути, которые выбирают ученые в своем стремлении раскрыть тайны природы.

2. Из записных книжек натуралистов

…В каждом проявлении природы есть строгая регулярность и четкие закономерности.

(Дж. Вудворт, 1699)

Человек издавна замечал периодические изменения у окружавших его живых организмов. От натурфилософских сочинений Аристотеля (IV век до н. э.) и до публикаций сегодняшнего дня не ослабевает интерес исследователей к удивительному чувству времени. Подсмотренные в природе факты были настолько поразительны, а регулярность ритмов, которыми обладают растения и животные, так изумительно точна, что наблюдатели испытывали непреодолимое желание рассказать о том, что видели. Нередко они замечали, что ритмы эти совпадают по фазе с каким-либо естественным ритмом окружающей среды: вращением Земли, обращением Луны вокруг Земли или Земли вокруг Солнца. Некоторые из них даже подсчитали количество животных, которые вели себя определенным образом в определенное время.

Но наблюдатели лишь удивлялись совершенству природы. Никто из них не давал никаких объяснений наблюдаемым фактам и уж, конечно, не ставил никаких опытов. Многочисленные накопленные факты продолжали оставаться непонятными до тех пор, пока между отдельными странными явлениями не начали проясняться определенные взаимосвязи, — только тогда стала очевидной их глубокая значимость. Теперь каждый случай рассматривался как особая иллюстрация всеохватывающего свойства природы: жизнедеятельность всех без исключения организмов носит характер ритмических циклов. Впоследствии это заключение послужило трамплином для рождения новой отрасли экспериментальной биологии — биоритмологии.

Давайте проследим за развитием представлений о ритмических функциях в живых организмах у ранних натуралистов. Как они отвечали на вопрос: почему животные ведут себя так, а не иначе, и какими средствами они этого достигают?

Одним из наиболее ранних наблюдателей ритмического явления в живой природе был Христофор Колумб.

Представьте себе безлунную ночь 11 октября 1492 года. Четырежды отбила склянки первая вахта. Христофор Колумб стоит на накренившемся мостике «Санта-Марии», которая несется на юго-запад, подгоняемая попутным субтропическим бризом. Из трюма доносятся недовольные голоса матросов: истекают третьи сутки, после которых Колумб, если не покажется земля, обещал повернуть назад. Кажется, суша где-то близко. Проплыли отяжелевшие от ароматных ягод ветви, пролетели над головами и исчезли вдали на юго-западе птицы, на борт вытащили бревно со следами ручной резьбы. Прошло тридцать два дня, как скрылись на востоке Канарские острова. Подгоняемая бризом «Санта-Мария» несется под полными парусами.

Колумб задумчиво стоит на мостике, глядя на темный океан. Вдруг он замечает впереди какой-то непонятный свет. Земля? Ради справедливости заметим, что испанский историк Бартоломе Лас Касас считает, что первым в ту ночь увидел землю Родригес де Триана, матрос с каравеллы «Пинта». Но для нас важно не то, кто первым заметил землю, а то, что Колумб действительно видел мерцающий свет.

В кратком изложении истории Индии Лас Касас писал: «Поскольку «Пинта» была быстроходнее двух других каравелл и опередила адмиральское судно, она обнаружила берег и подала сигнал. Первым землю увидел матрос Родригес де Триана, хотя адмирал, находясь на мостике в десять часов вечера, видел свет. Однако этот свет был настолько слабым и призрачным, что адмирал не решился объявить, что это земля. Тем не менее он позвал Педро Гутиереса, доверенного короля, и сообщил ему, что видел какой-то свет и просил его тоже приглядеться. И Гутиерес увидел свет… Свет появлялся еще дважды. Он был похож на мерцающий огонек свечи и вряд ли мог быть признаком земли. И все же адмирал был уверен, что земля близко».

Что же это был за таинственный свет? Видение? Галлюцинация? Именно так считает С. Э. Морисон, признанный авторитет в изучении плавания Колумба и знаток моря: «Целые тома посвящены объяснению того, что за свет видел Колумб. А вот моряку все ясно — это была иллюзия, вызванная напряженным вглядыванием в темноту. Когда вы не уверены в своем точном местоположении вы стараетесь ночью разглядеть берег, то можете не только увидеть воображаемый свет и вспышки, но и услышать звон колоколов и шум прибоя, которых на самом деле нет».

На противоположной стороне Атлантики, в устье реки Теймар, волны океана разбиваются об основание старинных каменных стен, террасами поднимающихся к вершине холма. За широкими газонами и низкими живыми изгородями виден белый замок — это Плимутская лаборатория королевской биологической ассоциации. Однажды, в начале тридцатых годов, биолог этой лаборатории Л. Р. Крошей, просматривая свои записи о жизни океана у Багамских островов, где он некоторое время работал, вспомнил о свечении, которое наблюдал Колумб. Дело в том, что он сам занимался изучением обитающего в той области океана морского кольчатого червя, половая активность которого четко связана с фазами Луны. Группами по 6—20 особей самки рода Odontosyllis внезапно появляются у поверхности воды и начинают выметывать яйца, сопровождая это потоками ярко светящегося секрета. Самцы, вспыхнув, как светлячки, устремляются к тому же месту, чтобы выбросить сперму. Живой фейерверк длится в течение приблизительно десяти минут. Крошей точно регистрировал время этого явления. Оно обычно происходило за час до восхода Луны в ночь накануне последней четверти лунного месяца. Не это ли самое свечение увидел, приближаясь к Багамским островам, Колумб?

Рис. 2. Срез через лопастевидный вырост тела, или параподию, которыми снабжены сегменты морских многощетинковых кольчецов. Видна железа, которая в период размножения червей выделяет ярко светящийся секрет. 1 — проток железы; 2 — вспомогательные клетки железы; 3 — клетки, вырабатывающие светящийся секрет; 4 — зернистые тела; 5 — метанефридий, или выделительный орган, через который выбрасывается секрет железы.

Тщательно просмотрев старые календари, Крошей обнаружил, что ночь 11 октября 1492 года была накануне последней четверти лунного месяца. Луна должна была подняться как раз через час после того, как Колумб увидел этот свет. Могло ли такое совпадение быть чистой случайностью? Вряд ли. Таким образом, Крошей спустя почти пять веков объяснил, что за свечение видел Колумб. В своей статье, посвященной этому вопросу, которая появилась в Nature в 1935 году, Крошей, сопоставив местоположение излюбленных нерестилищ червей с расстоянием до берега и глубиной океана у Багамских островов, предположил, что берегом, который мог увидеть Колумб, был скорее всего остров Кэт, а не Сан-Сальвадор, как предполагает большинство историков. Трудно сейчас установить абсолютную истину, но рассуждения Крошея основаны на фактах, которые можно наблюдать и проверить.

Тот факт, что жизнедеятельность морских животных связана с фазами Луны, не является новостью XX века. Еще Аристотель заметил, что яичники у морских ежей набухают в полнолуние. Он так подробно описал этих колючих созданий, что зоологи до сих пор называют их жующий орган аристотелевым фонарем. Цицерон говорил, что устрицы и прочие моллюски увеличиваются и уменьшаются в числе в зависимости от фазы Луны; это же утверждал и Плиний. Последняя четверть лунного цикла повсеместно совпадает с повышением половой активности у морских животных.

В юго-западной части Тихого океана обитает многощетинковый кольчатый морской червь, которого аборигены островов Фиджи и Самоа называют «палоло». Этот житель океана достигает полуметра в длину и живет в темных пещерах коралловых рифов. Его размножение происходит всего один раз в году, в последнюю четверть Луны в ноябре, когда в южной части Тихого океана господствует весна. Перед ноябрьским массовым подъемом наиболее крупная задняя часть тела червей палоло раздувается от обилия созревших половых клеток. На рассвете она отделяется, всплывает к поверхности океана, и, извиваясь, разрывается на части, высвобождая яйца или сперму. Тропический океан вскипает, как вермишелевый суп, приобретая зеленовато-коричневый цвет.

Рис. 3. Общепринятая точка зрения гласит, что первым берегом, который увидел Христофор Колумб, был остров Сан-Сальвадор. Исследования лунных ритмов размножения светящихся морских червей дают основание предполагать, что этим берегом мог быть остров Кэт.

Рис. 4. Тихоокеанский палоло (при двукратном увеличении). Цикл размножения этого червя, по предположению Аррениуса, определяется изменениями электрического заряда атмосферы.

Однажды, это было в сороковые годы нашего века на крошечном острове Овалау, некий комиссар Берроуз заинтересовался тем, что ежегодное скопление огромных количеств палоло происходит в одно и то же время. Ему удалось разыскать упоминание о палоло в литературе. Примерно полвека назад Бэзил Томсон писал: «Ежегодное появление скопищ палоло является для аборигенов большим событием, поскольку червь этот считается деликатесом… В печеном виде его студенистая масса по вкусу напоминает устриц». Следовательно, записи Томсона подтверждали наблюдения Берроуза.

Решив, что исключительная точность, с которой появляется этот морской червь, должна представлять большой интерес для исследователей, Берроуз поделился своими впечатлениями от столь экзотического события на страницах лондонского журнала Nature. Его рассказ был подробным и весьма красочным:

Вовремя пребывания на Овалау в качестве комиссара мне несколько раз доводилось наблюдать «подъем» палоло. В течение года таких подъемов бывает два. Первый известен под названием малый мблоло, а второй — большой мблоло. Названия «большой» и «малый» не отражают размеров червя, а характеризуют лишь его количество. Иногда малого мблоло не бывает вообще.

Малый мблоло происходит примерно в конце октября, а двумя-тремя неделями позже следует второй, главный подъем. Главный подъем всегда бывает на рассвете, червь поднимается буквально вместе с солнцем. Кроме того, большой мблоло всегда совпадает с приливом.

Поднимается к поверхности только задняя часть червя, а передняя остается на дне. Причем эта задняя часть, достигающая 25–40 сантиметров в длину, непрестанно извивается.

В деревне Токоу есть один старый фиджиец, который может предсказывать день подъема…

С появлением первых лучей солнца поверхность моря вскипает огромными воронками извивающихся червей. Эти воронки, расширяясь, смыкаются между собой, и тогда вся поверхность воды превращается в движущуюся массу коричневато-зеленого цвета.

Когда тропическое солнце поднимается над морем, ловля уже в полном разгаре. Выходят сотни лодок и каноэ. Добычу черпают банками, бидонами из-под керосина, сетями. Появление червей означает пиршество и для рыбы. Вокруг, заглатывая червей и не обращая внимания на лодки и сидящих в них людей, снуют крупные рыбы и акулы.

По мере того как солнце прогревает воздух, длина червей заметно изменяется. Они начинают как бы разламываться на все более мелкие части, и часа через три после восхода на поверхности моря остаются лишь клочья пены…

Рис. 5. Южнокалифорнийская рыбка атерина-грунион выметывает икру в наиболее благоприятный период приливного цикла, чтобы обеспечить в дальнейшем выживание молоди. Самка откладывает икру в вырытую хвостом ямку в песке. Самцы ползают вокруг нее и оплодотворяют икру.

На южнокалифорнийских пляжах можно услышать передающуюся из уст в уста весть: «Сегодня вечером набег груниона!». Отдыхающие нередко воспринимают ее скептически, подозревая, что за этим кроются какие-то местные шуточки. Однако набеги груниона вполне реальны. Пожалуй, не часто встречается в природе более яркая демонстрация ритмической активности организмов.

Теплыми летними вечерами на пляжах Южной Калифорнии тысячи людей ожидают появления рыбки атерины-груниона. Это случается обычно на следующий день после полнолуния. Туфли и чулки валяются на песке, брюки и юбки подвернуты повыше. У каждого в руках банка, мешок или сумка, куда можно было бы собирать рыбу, поскольку по закону ловить ее разрешается только голыми руками.

Бурлящие волны самого высокого в этом месяце прилива несутся к берегу. Через пятнадцать минут начнется набег груниона. Первые же волны прилива приносят на своих гребнях тысячи тысяч серебристых рыбок, которые устремляются на влажный песок пляжа. Кажется, что пляж покрыт серебристым металлом. Начался цикл размножения.

Самка американской атерины-груниона размером с кисть руки. Как бы танцуя на хвосте, она наполовину закапывается во влажный песок и, интенсивно раскачиваясь, откладывает в него икру (на глубину около 8 сантиметров). В это время самец, извиваясь, описывает вокруг раскачивающейся самки грациозную дугу. Ему достаточно нескольких секунд для оплодотворения икры, после чего он скользит назад к набегающим волнам. Измученная самка стремится высвободиться из песка и, наконец вырвавшись, тоже устремляется к воде и исчезает в бурлящих волнах. Мокрый песок соскальзывает в оставленное ею отверстие и скрывает оплодотворенную икру.

Тем временем охотники за грунионом пригоршнями собирают трепещущую рыбу, наполняя ею свои банки и мешки. Дети с восторженными криками бросаются на песок и, извиваясь подобно рыбам, преследуют добычу.

Только что выловленный из океана и поджаренный тут же на костре хрустящий грунион — изысканное лакомство. Говорят, что на голодный желудок можно съесть до 20 рыбешек. После приятной трапезы обычно обсуждают точность предсказаний и строят прогнозы, повторится ли набег назавтра или только через пятнадцать дней. На пляж спускается ночная прохлада, гаснут костры, рыбаки расходятся по домам.

Грунион выбирает для своей свадебной ночи такое время, когда условия для выживания его потомства оказываются наилучшими. Самые высокие приливы совпадают с полнолунием и новолунием. Грунион выбирает ночи, следующие за самым высоким приливом, когда тот снизится всего на несколько сантиметров. Икринки, заботливо отложенные в песок выше линии прилива, созревают и будут готовы к вылуплению через пятнадцать дней, то есть к следующему высокому приливу. В пенящихся волнах этого следующего прилива, размывающего песок, крохотные рыбешки выбираются из оранжевых икринок-скорлупок, чтобы присоединиться в океане к своим сородичам.

Таким образом, время выхода груниона на берег для нереста можно легко предсказать. Гораздо труднее определить, каким образом рыбки столь точно «знают», когда именно наступит наиболее благоприятный момент для продолжения их рода. Ученые выдвинули два совершенно разных объяснения механизма этих ритмов, зависящих от фаз Луны. В первом случае предполагается, что механизм ритмов связан также и с суточными ритмами, а во втором — с чувствительностью рыбки к изменениям характера или интенсивности падающего на нее света.

Чтобы разобраться в этих двух точках зрения, нам следует рассмотреть экспериментальные работы по изучению действия света на суточные ритмы и ритмы иной продолжительности. Э. Бюннинг, с трудами которого мы более детально познакомимся несколько позже, отмечал, что лунные или полулунные ритмы на первый взгляд как бы не имеют отношения к суточным ритмам; однако существуют доказательства того, что они усиливаются суточными ритмами, возникающими в организме. Согласно другой гипотезе, именно лунный свет стимулирует половую активность морских животных. Пики набегов груниона действительно совпадают с полнолунием. Но вот червь Odontosyllis, свечение которого, возможно, видел Колумб, активен перед восходом Луны, так что объяснить его активность непосредственным воздействием лунного света нельзя. Более того, даже в полнолуние интенсивность лунного света достигает всего лишь одной полумиллионной интенсивности солнечного света. Поэтому Клаудсли-Томпсон выражает сомнение в том, что подобная интенсивность освещения может влиять на лунные циклы размножения. Однако ряд проведенных экспериментов обнаруживает важность общего времени освещения. Ниже мы остановимся на этих работах подробнее, а сейчас познакомимся с некоторыми давними наблюдениями, которые производились в необычных ситуациях, например во время солнечных затмений, и были связаны с изменением интенсивности освещения.

Английский хирург Джордж Ньюпорт, состоявший членом Лондонского энтомологического общества, провел наблюдение над двумя пчелиными семьями во время солнечного затмения, которое наблюдалось в Англии 15 мая 1836 года. Полагая, что такое наблюдение может представить некоторый научный интерес, он послал свои записи в Philosophical Transactions.

Ниже приведен один из протоколов Ньюпорта.

13.30 — Вокруг ульев большое скопление пчел. Они громко гудят.

14.00 — Началось затмение, снаружи улья много трутней, пчелы сильно возбуждены, летают вокруг ульев.

14.15 — Солнце заметно померкло, пчелы торопятся домой. Вылетают очень редко.

14.30 — Солнечный свет продолжает меркнуть. Вылетают лишь отдельные пчелы.

14.45 — Пчелы быстро слетаются в улей. Несколько трутней все еще вне его.

15.00 — Интенсивность света сильно уменьшилась. Вылетел Geotrupes stercorarius (жук-навозник, летающий в сумерках).

15.15 — Стало еще темнее, в ульях тихо, как вечером, ни одна из пчел не покидает улья. Поют петухи, находящийся неподалеку городок подернут туманом; подул прохладный ветер, небо очень чистое.

15.20 — Затмение прошло свой максимум; еще две пчелы вернулись в улей.

15.30 — Света стало больше, пчелы толпятся у летка, начинают вылетать.

15.45 — Света заметно прибавилось, пчелы покидают ульи.

15.50 — Свет значительно усилился, пчелы продолжают вылетать.

16.00 —Стало светло; одна пчела вернулась с обножкой.

16.20 — Затмение почти закончилось. Но из улья № 1 вылетело всего несколько пчел.

16.30 — Пчелы вылетели из улья № 2; затмение закончилось.

17.00 — Пчелы вылетели из обоих ульев. Небо чистое, погода прекрасная.

Хотя эти наблюдения были сделаны почти полтораста лет назад, но и они убедительно доказали, что при уменьшении интенсивности освещения активность некоторых животных резко изменяется, даже если такое снижение освещенности наблюдается в необычное время дня. Это дает основание предполагать, что путем изменения условий чередования света и темноты «стрелки» временного механизма могут быть переведены. Далее мы увидим, насколько важным оказался этот вывод для последующих исследований проблемы живых часов.

Спустя столетие после Ньюпорта японский биолог Сюити Мори тщательно изучил поведение ряда животных во время солнечного затмения, которое наблюдалось на Хоккайдо 19 июня 1936 года. Безусловно, к тому времени и научные представления, на основе которых Мори планировал свою работу, и методы, которыми он пользовался, были уже более точными и надежными, чем во времена Ньюпорта.

Для своего эксперимента Мори избрал мух рода Protofucellia, поскольку они обычно активны только в светлое время суток. Эксперимент отличался необыкновенной простотой. Протухшие рыбьи внутренности в консервной банке и липкая лента шириной в четыре и длиной в тридцать пять сантиметров, на которую садились мухи, привлеченные запахом внутренностей, — вот все, что требовалось для эксперимента. Оставалось только считать пойманных мух.

«Мухи быстро собрались вокруг банки, — писал Мори, — и, разумеется, несколько из них прилипли к ленте. Через 30 секунд липкая лента была заменена, число прилипших мух зарегистрировано. Для каждого наблюдения бралась новая лента. Число пойманных за 30 секунд насекомых было принято за меру их активности».

Прежде всего Мори установил, как ведут себя мухи в нормальных условиях. Поэтому за три дня до затмения он провел контрольный эксперимент. За час до восхода солнца он в течение 30 секунд не поймал ни одной мухи. После восхода за то же время он поймал 48 мух, а в И часов — 72 мухи. На заходе солнца к ленте прилипло уже только 9 мух, а позже — ни одной: мухи прекратили свою активность до следующего дня. Результаты экспериментов Мори обобщил следующим образом: «Мухи обнаруживают активность только в светлое время суток. Можно предположить, что их активность находится в тесной связи с интенсивностью солнечного освещения, а не с такими факторами, как температура воздуха или относительная влажность. Это четко проявляется при вычислении коэффициента корреляции между числом насекомых и изменением окружающих условий».

В день затмения, вплоть до самого его начала, число отловленных мух оставалось близким к результатам контрольного дня. Как только на диске Солнца появилась тень Луны (14.08), Мори поймал за 30 секунд лишь 55 мух. В 15.20, когда стало совершенно темно, количество пойманных за 30 секунд мух упало до 14. После восстановления полной интенсивности дневного освещения за 30 секунд к бумаге прилипло 48 мух.

«По мере развития затмения и снижения интенсивности освещения активность мух падала и число пойманных насекомых снижалось. Время минимальной активности точно совпало со временем полного затмения. Затем, по мере увеличения интенсивности солнечного света мухи постепенно восстанавливали свою активность… мы считаем, что суточная ритмическая активность этой мухи (в той мере, в какой о ней можно судить по реакции насекомого на пищу) принадлежит к тому зависимому типу ритмической активности, которая регулируется главным образом суточными изменениями интенсивности солнечного света, а также частично температурой воздуха и лишь затем относительной влажностью. Некоторое расхождение между значениями коэффициента корреляции для освещения в обычные дни и в день солнечного затмения может быть связано со слишком быстрым изменением освещенности во время затмения. Если бы солнечное затмение длилось дольше, активность мух снизилась бы еще значительнее».

День солнечного затмения был весьма хлопотным для Мори. В промежутках между регистрацией активности мух он отмечал также, что «вороны устраивались на ночлег, а петухи начинали кукарекать», что по-вечернему стала кружиться мошкара, а древесные лягушки завели свой концерт. С наступлением неестественной темноты все эти животные прекратили свою активность.

«…Эти факты свидетельствуют о том, что обычная суточная активность животных относится к зависимым ритмам, которые отличаются от ритмов независимых, врожденных. Солнечное затмение как нельзя лучше позволяет изучать такой тип поведения как бы в условиях грандиозного эксперимента».

Но одно обстоятельство озадачило Мори: «Я следил за рачками-бокоплавами, а также скворцами и майнами; они не обращали на затмение никакого внимания. Эти животные оставались такими же активными, как и при полном сиянии дня. И раки вели себя так же. Их для меня собирали всегда готовые помочь школьники. У раков окраска глаз с наступлением ночи меняется, это происходит вследствие перемещения пигмента, однако темнота, наступившая во время затмения, никак не повлияла на них. Почему?». Мори был не единственным среди биологов, кто встретился с такими непонятными фактами.

Вклинившаяся между Саудовской Аравией и Ираном южная часть Ирака омывается водами Персидского залива на протяжении всего нескольких десятков километров. Тем не менее жители южного Ирака испытывают необъяснимый страх перед китами, которые якобы затаились у этого берега.

25 июня 1952 года в день солнечного затмения биологу Н. А. Веберу довелось находиться в южном Ираке. Как только тень на солнце стала едва заметной, все вокруг задрожало от рокота барабанов и грохота горшков и сковородок. Этот шум дополнялся воплями жителей: люди считали, что во время затмения кит пытается проглотить солнце и, если ему не помешать, светило исчезнет навеки. Естественно, предотвратить вселенскую трагедию и прогнать кита можно, лишь подняв великий шум.

Но не только этими наблюдениями занимался во время солнечного затмения Вебер. Он обратил внимание на то, что, когда стало почти темно, появились тараканы, начали стрекотать сверчки, искали укрытия мухи, бабочки и пчелы, изменилось поведение большинства птиц, некоторых млекопитающих. Но вместе с тем многие животные никак не реагировали на затмение.

Чем же объясняется эта разница в поведении? Прежде всего, рассуждал Вебер, известно, что все животные в нормальных условиях подчиняются ритмам, связанным с вращением Земли. Становятся подвижными с наступлением сумерек ночные животные, а дневные — просыпаются перед рассветом. Вебер знал о двух точках зрения на природу этих ритмов. Одни биологи придерживаются мнения, что ритмы активности обусловлены неким механизмом, чем-то вроде внутренних часов, который находится в организме самого животного. Другие склонны относить ритмическую активность животных за счет влияния ритмов внешней среды. Поэтому Вебер сделал вывод, что животные, изменившие свое поведение под влиянием затмения, управляются действием внешних ритмов, а не изменившие — подчиняются собственным внутренним ритмам.

Еще в 1906 году было опубликовано сообщение о поразительных наблюдениях, сделанных швейцарским психиатром Августом Форелем. По утрам в хорошую погоду семья Фореля обычно завтракала на выходившей в сад террасе. К столу ежедневно подавались фруктовое желе и варенье. И вот члены семьи очень скоро заметили, что к их трапезе присоединились пчелы. Форель обратил внимание на то, что пчелы были чрезвычайно пунктуальны, и по часам отмечал их появление.

Случилось так, что несколько дней завтрак накрывали в доме. В один из таких дней Форель с удивлением заметил, что пчелы в положенное время прилетели на террасу. Это его немало озадачило, так как он считал, что пчел привлекает запах фруктовых сладостей. С этого момента Форель каждое утро регистрировал появление пчел на террасе независимо от того, было там варенье или нет. У Фореля возникла смутная догадка, что пчелы каким-то образом способны узнавать время, но дальше этого он не пошел.

Приблизиться к разрешению этой загадки удалось лишь спустя несколько лет немецкому ученому фон Буттель-Реепену. Прогуливаясь среди полей цветущей гречихи, он обратил внимание на то, что, как только цветы гречихи поздно утром прекращают выделять нектар, пчелы проворно покидают поле и не возвращаются до следующего утра. Отправившись на поле гречихи в послеобеденное время, Буттель-Реепен тщательно обследовал цветы. Казалось бы, и к вечеру они были столь же душистыми, как и утром. Но почему же тогда пчелы в послеобеденное время их никогда не посещают? Очевидно, насекомых привлекал не запах. Но тогда, как же они узнают, когда именно им надо прилетать?

Буттель-Реепен считал, что возможно одно из трех объяснений этой загадки:

1) за полями следят по нескольку пчел-разведчиц от каждого улья. Когда начинается выделение нектара, они отправляются в ульи и сообщают об этом;

2) пчелы связывают выделение нектара с каким-то внешним явлением, например положением солнца на небе. Запомнив, когда накануне началось выделение нектара, они и на следующий день вылетают в момент, когда солнце займет на небе соответствующее положение;

3) у пчел есть настоящее чувство времени — некие внутренние часы.

Вероятно, последнее было всего лишь счастливой догадкой, но догадкой действительно ценной. Буттель-Реепен ввел и новый термин — чувство времени (Zeitgedachtnis), — термин настолько удачный, что он прочно вошел в биологическую литературу.

Буттель-Реепен не мог доказать своего предположения. В его время, как и в дни Фореля, применение точных методов в биологии еще только зарождалось. Лишь в 1929 году И. Белинг — ученица знаменитого Карла Фриша — сумела, как мы увидим, заглянуть глубже в тайну чувства времени у пчел.

Человек с давних времен восхищался способностью птиц находить дорогу к дому. Но не только эта способность удивляет в птичьем племени. Очень часто их поведение отличается большой точностью. Так, шляпковый тинаму, похожий на маленького страуса, с необычайной пунктуальностью заводит песню через каждые три часа и днем и ночью. На родине этой забавной птицы, в Панаме, ее называют трехчасовиком. Панамцы считают, что по пению тинаму можно проверять часы. Пока ученые не знают, почему эти птицы так точны в сроках исполнения своей песни, известно лишь, что яйца насиживает самец и он же заботится о птенцах. Песня его раздается восемь раз в сутки через равные промежутки времени независимо от сезона.

Обратите внимание, что тинаму поет и днем и ночью. Если птица и ориентируется по какому-либо внешнему источнику, то уж во всяком случае не по солнцу. Объяснить все это можно лишь наличием у нее каких-то внутренних врожденных часов.

Натуралист Франц Лютц изо дня в день прислушивался к первой утренней песне крапивника. «Крапивник поразительно точен, — писал он. — Каждое утро я слышал его песню между 5.57 и 5.58 с точностью до минуты. Воистину это загадка, особенно если учесть, что восход солнца сдвигается ежедневно на четыре-пять минут».

Известно много случаев, когда самые разные птицы с удивительной точностью прилетали к кормушке. Интересен рассказ о диком чирке, который жил в одной английской семье. Птица очень привязалась к хозяину дома, постоянно ездившему в город на службу. Независимо от того, где эта пресноводная уточка проводила день, она появлялась перед домом за несколько минут до обычного времени возвращения хозяина. Если же тот опаздывал, она терпеливо ждала его, неотрывно глядя на дорогу, иногда это длилось целый час.

Очень часто периодическая активность животных связана с циклом их размножения. У птиц ритуал ухаживания часто приобретает очень сложную форму. Элегантный дикий гусь проделывает его в определенной ритмической последовательности. Дж. Девани пишет, что, ухаживая за своей избранницей, гусак ходит вокруг нее, демонстрируя целую серию самых странных поклонов и приседаний. Обычно он выбирает два растущих на расстоянии семи-десяти метров друг от друга дерева с толстыми горизонтальными нижними ветвями. Устроившись на ветке одного из деревьев, гусь начинает кланяться, останавливаясь в полупоклоне, чтобы похлопать крыльями. Затем он переходит на ветку другого дерева. После определенного перерыва он опять возвращается к первому дереву и повторяет свои действия, перебираясь с одного дерева на другое. Причем промежуток времени между переходами выдерживается настолько постоянным, что кажется отмеренным по часам».

Кроме того, птицы очень точно соблюдают время кормления. Стайные кроншнепы собираются вместе кормиться на отмелях и болотах. Высокие и стройные, ходят они по грязи с загнутыми вниз клювами в поисках мелкой живности. Когда прилив скрывает отмели, птицы поднимаются на крыло и отлетают дальше в глубь берега, на сухие места кормежки, где они чувствуют себя довольно неуютно, и с нетерпением ждут, когда отлив обнажит отмели. Посылают ли они разведчиков следить за уровнем прилива? Некоторые натуралисты отвечали на этот вопрос утвердительно, но более тщательные наблюдения показали, что птицы этого не делают. Тем не менее, когда отлив обнажает глинистые отмели, кроншнепы сбиваются на полях в плотные стаи, поспешно взлетают и возвращаются к берегу, чтобы опять уткнуться в грязь своими серповидными клювами.

Интересное создание — плодоядная австралийская летучая собака. Днем она прячется где-нибудь в густой листве, повиснув вниз головой, в сумерках же вылетает кормиться. Быстроту и силу полета этому животному обеспечивают бурые опушенные крылья, размах которых достигает полутора метров. Стаи этих животных обрушиваются на плантации фруктовых деревьев. В отличие от большинства летучих мышей с их уродливыми бульдожьими мордами и глазками-бусинками летучая собака похожа скорее на маленькую лисичку с усатой мордочкой, хорошо выраженной шейкой и большими влажными глазами. Где-то в ее организме тоже скрыт прекрасно отлаженный часовой механизм. Местные жители называют австралийских собак «налетчиками» и уверяют, что по ним можно проверять часы. Но им бы очень хотелось, чтобы набеги этих животных не были столь регулярными, поскольку их орды прямо-таки опустошают сады.

Наверняка каждому известно, что собакам тоже свойственно чувство времени. Люди, выросшие в деревне, знают, что некоторые собаки в нужное время отправляются за коровами, чтобы пригнать их для дойки домой. Известен случай, когда собака быстро привыкла вносить поправку на сокращение продолжительности дня.

У коров тоже обнаружилось чувство времени. Как-то летом 1888 года врач А. С. Хадсон выступил в журнале Popular Science Monthly против автора статьи, который не верил, что животным свойственно чувство времени:

Примерно полвека назад пишущему это письмо довелось иметь на своем попечении пять коров. Они паслись на выгоне очень далеко от жилья. Утром и вечером мне приходилось искать коров и пригонять их для дойки.

По воскресеньям утром коровам полагалось давать соль — угощение, которое им очень нравилось. По истечении какого-то времени, какого — точно сказать не могу, они уже каждое воскресное утро стояли у ограды выгона, в самом близком к жилью месте, и ждали. Если я забывал дать им соль, коровы не уходили пастись и могли стоять так больше часа.

Таким образом, коровы самостоятельно приходили на место дойки по воскресеньям, но не приходили в остальные дни. Как они могли это делать, если не обладали какой-то способностью отмечать каждые семь дней недели? Они были изолированы от окружающего мира и изо дня в день не видели никого, кроме меня. Насколько можно судить, все дни должны были казаться им одинаковыми, за исключением воскресенья, которое, имей коровы способность говорить, они называли бы «соленым» днем. Как они сумели уловить периодичность и быть на месте именно в это, а не в другое утро?

Павиан чакма, который в течение двадцати лет жил в Вашингтонском национальном зоопарке, сам себе установил рабочее время и соблюдал его с точностью до минуты. Ежедневно ровно в четыре часа дня он начинал почесывать свою черновато-зеленую шкурку, удалялся, ковыляя, в свой домик и закрывал за собой дверь. Если кому-либо из опоздавших хотелось его повидать, они должны были прийти на следующий день.

Итак, это всего несколько листков из записных книжек натуралистов. Но эти записи пробудили любознательность биологов XX века, подтолкнули их к выдвижению новых концепций, которые можно было проверить с помощью таких современных средств, как электронные вычислительные машины, радары, сканирующий электронный микроскоп. Многие наблюдения были выполнены людьми, не имевшими специального образования. Признанный авторитет в области изучения биологических ритмов Колин Питтендрай сказал: «Я не знаю ни одного другого случая, когда простое наблюдение столь непосредственно привело бы к формулированию первоочередных проблем, стоящих перед современным ученым, изучающим физиологию клетки».

В последующих главах мы увидим, как бьются физиологи над некоторыми из проблем, которые имел в виду Питтендрай. Но прежде мы проследим за ходом развития научной мысли от раннего периода — периода простых наблюдений и предположений до современного состояния науки со всей изощренностью ее стратегии и тактики.

3. От Демэрана до Аррениуса

Нам, свидетелям космических полетов, по-видимому, трудно так сузить свое восприятие мира, чтобы посмотреть на окружающее глазами ученых восемнадцатого столетия. Но давайте все-таки попытаемся взглянуть на историю развития проблемы биологических часов ретроспективно.

Представьте себе Париж 1729 года. Приезжий легко мог бы заблудиться в нем — названий улиц практически не было, лишь немногие обозначения выбивались на фасадах угловых зданий. Для натуралистов же надежных путеводных знаков в те времена было еще меньше. Прошло всего несколько десятилетий с тех пор, как Исаак Ньютон открыл закон всемирного тяготения, а Пьер Лаплас, которого называли «французским Ньютоном», еще даже не родился. Теория флогистона (утверждавшая, что во всех веществах, способных гореть с выделением пламени или превращаться при обжигании в окалину, имеется некое горючее начало — флогистон) была камнем преткновения на пути развития химии. Минует еще четверть столетия, прежде чем Вениамин Франклин получит разряд статического электричества от бечевы, на которой запущен воздушный змей, показав тем самым, что молния — это всего лишь явление природы, а не устрашающее свидетельство божьего гнева. Лабораторное оборудование было крайне примитивным, в медицине даже стетоскопу предстояло появиться только через столетие. Тем не менее к 1729 году эпоха Просвещения уже расчистила пути, позволившие ученым применять в своих исследованиях экспериментальные методы.

Таково вкратце положение вещей, которое сложилось к моменту спора между французским астрономом Жан-Жаком де Мэраном и его другом Маршаном. А разгорелся этот спор из-за одной научной публикации. Маршан настаивал на том, чтобы де Мэран написал в Парижскую академию о своем открытии: он обнаружил у чувствительного растения движение листьев, которое соответствовало периодам «сна и бодрствования». Однако, погруженный в исследование таких проблем, как природа северного сияния и взаимосвязь цветов радуги, возникающей при разложении призмой солнечного луча, занятый изучением суточного вращения Земли и анализом наблюдений полного затмения солнца 1706 года, ученый не желал тратить драгоценное время на описание того, как спит растение! Но, настроенный решительно, Маршан счел своим прямым долгом сообщить научному миру Франции о наблюдениях де Мэрана. По его мнению, они были первым доказательством того, что растение может определять положение солнца на небосводе даже тогда, когда не подвергается прямому действию его лучей. В Академии — а Маршан был одним из ее членов — было принято сообщать о работах других ученых. Вот вольный перевод его сообщения.

Общеизвестно, что наиболее чувствительные из гелиотропов поворачивают свои листья и стебли в направлении максимальной интенсивности освещения[1]. Это свойство присуще и многим другим растениям, однако гелиотроп обладает особой чувствительностью к солнечному свету (или времени дня): его листья и стебли с заходом солнца опускаются; то же самое происходит с растением, если к нему прикоснуться или встряхнуть.

Однако де Мэран обратил внимание на то, что растение ведет себя подобным образом и в случае, если оно находится не на открытом воздухе, а постоянно содержится в темном помещении. Растение также раскрывается на день и складывается на ночь. Эксперимент проводился в конце лета. Чувствительное растение реагировало на положение солнца, даже будучи совершенно изолированным от него.

Рис. 6. Растение, наблюдавшееся де Мэраном, «просыпалось» с рассветом, даже если содержалось в полной темноте. Крупным планом показано положение листьев «спящего» растения.

В заключение своего письма Маршан призывал ботаников и врачей исследовать это явление, заметив, однако, что «прогресс настоящей естественной философии, которая связана с экспериментальной работой, может быть удручающе медленным». Но ни ботаники, ни врачи не откликнулись на его призыв. И только через тридцать лет во Франции появился человек, который подтвердил открытие де Мэрана и продолжил его исследования.

Этим человеком оказался Генри-Луи Дюамель, который большую часть времени, потраченного на образование, скучал и сокрушался. В первые годы своего пребывания в колледже он менее всего обещал стать тем, кого впоследствии именовали «инспектором Академии наук, членом Лондонского королевского общества, почетным членом академии в Санкт-Петербурге, Стокгольме, Палермо и Падуе, института в Болонье, Королевского общества в Эдинбурге, сельскохозяйственных обществ Парижа и Лейдена и добровольным членом Королевского медицинского общества».

Дюамель родился в Париже в 1700 году. Его предки были родовитыми голландцами, перебравшимися во Францию еще в 1400 году. Хотя Генри-Луи и отличался пытливым складом ума, посещать лекции по естественной истории он начал совершенно случайно и то лишь в конце своего пребывания в колледже. Увлечение естественными науками вспыхнуло в нем совершенно неожиданно. Чтобы отдавать занятиям все свое время, он даже переселился поближе к колледжу.

Но именно тогда, когда юный Дюамель с головой ушел в свое новое увлечение, родители потребовали, чтобы он изучал право. Генри-Луи согласился посещать школу права в Орлеане. На право он потратил ровно столько времени, сколько было необходимо для получения ученой степени, которой он так никогда и не воспользовался. Выполнив свое обязательство перед родителями, Генри-Луи возвращается в Париж, полный планов отдать себя служению науке, сельскому хозяйству и медицине. Он изучает математику, организует химическую лабораторию и планирует многолетние научные исследования в области сельского хозяйства.

Дюамель тщательно исследует заболевания шафрана, повреждения зерновых культур, вызываемые гусеницами пяденицы, и также причины порчи муки во время перевозки и хранения. Чтобы выяснить, можно ли применять истод для лечения плеврита, он выписывает во Францию растения из Виргинии. Ученый активно ратует за сохранение природных богатств; увлекается рыбной ловлей, которую считает занятием «весьма искусным, так как оно основано на хитрости, и самым древним, поскольку оно обеспечивало пропитание».

Вот такой человек заинтересовался вслед за де Мэраном странным поведением гелиотропа. Каким образом осуществляет растение свои ежедневные движения листьев, если оно не может знать времени суток? Не упустил ли де Мэран чего-нибудь в своих наблюдениях? Быть может, его темное помещение было не абсолютно темным? И Дюамель решил повторить эксперимент де Мэрана.

Дюамель отыскал неподалеку старый винный погреб, который не имел даже люка для вентиляции. Попасть в него можно было лишь через другой не менее темный погреб, что обеспечивало надежную защиту от света.

И вот августовским утром 1758 года Дюамель принес колючее растение в столь тщательно выбранное подземелье. Но по дороге он неосторожно тряхнул чувствительное растение, и оно опустило листья, словно его ударили. Досадуя на свою неуклюжесть, Дюамель оставил растение в погребе. На следующее утро, часов около десяти, Дюамель снова был в подвале. При свете свечи он разглядел, что растение проснулось, оно выпрямилось и развернуло листья, и абсолютная темнота подвала не стала тому помехой. Так продолжалось на протяжении многих дней, причем растение просыпалось и засыпало с такой точностью, как будто подвергалось действию лучей восходящего и заходящего солнца.

Но однажды в конце дня, когда листья растения еще оставались развернутыми. Дюамель вынес его из подвала (на этот раз с особой осторожностью). Растение осталось бодрствующим всю ночь! На следующий вечер листья опять поникли и впоследствии вернулись к своему нормальному циклу. После этого Дюамель поместил растение в большой, обшитый кожей сундук, который накрыл сверху несколькими толстыми шерстяными одеялами. Растение все так же поднималось по утрам и поникало к вечеру, как и в эксперименте де Мэрана. При полном отсутствии света оно каким-то образом чувствовало время.

Если ответственным за суточные движения листьев был не свет, то какой же другой сигнал получало растение из окружающей среды? Не связаны ли эти движения листьев с колебаниями температуры? Ведь ночью прохладнее, чем днем. И хотя Дюамель понимал, что температура в винном погребе довольно постоянна, он все же решил выяснить, что будут делать его растения, если он нагреет их заметно выше нормальной температуры. Перенеся в теплицу некоторые из чувствительных растений, Дюамель очень скоро убедился, что не ночная прохлада заставляет листья поникать к вечеру. «…Я видел, как растения опускают свою листву по вечерам даже в теплице, — писал он. — Эти эксперименты позволяют заключить, что движение листьев у растений не зависит ни от света, ни от тепла».

Примерно за двадцать лет до того, как Лавуазье показал, что горение и дыхание — это один и тот же процесс, который идет с разными скоростями, Дюамель продемонстрировал, что живые часы каким-то образом компенсируют колебания температуры, так как в определенных пределах они функционируют независимо от нее. Таким образом, Дюамель предвосхитил предположение, что живой организм воистину располагает хронометром, который не изменяет своего хода в зависимости от показаний термометра.

Прошло столетие после экспериментов Дюамеля, прежде чем в исследовании суточных движений листьев у растений были достигнуты определенные успехи.

За это время выдающийся шведский натуралист Карл Линней разработал первую разумную систему классификации растений, разделив это царство на классы, порядки, роды и виды. Его «Система природы», впервые опубликованная в 1735 году, выдержала еще при жизни автора несколько изданий. Умер Линней в 1778 году.

В тот же год в Женеве, в Швейцарии, в уважаемой и состоятельной семье Декандолей праздновали рождение сына, которого нарекли Огюстеном и которому было суждено стать одним из самых знаменитых ботаников Европы. Вначале Декандоль занимался вообще естественными науками, но позже особенно глубокий интерес он проявил к ботанике. Декандоль отправляется в Париж, где работает под руководством Ламарка, Кювье и Жоффруа Сент-Илера. В последующее десятилетие он добивается значительных успехов и в 1808 году становится профессором университета в Монпелье. В Женеву он возвращается в сорокалетнем возрасте, уже профессором ботаники и членом университетского совета.

Рис. 7. Цветочные часы Карла Линнея основаны на способности различных цветков открываться и закрываться в определенное время дня.

Большую часть своей жизни Декандоль посвятил разработке естественной системы классификации растений, введя в нее новые по сравнению с системой Линнея принципы разделения растений. Он предложил теорию, согласно которой всей природой управляют четыре главные силы: притяжение, сродство, жизненная сила и чувствительность. Именно эти силы и ответственны за те явления, которые изучают физика, химия, физиология и психология. Среди этих пространных областей наибольший интерес для Декандоля представляла физиология растений. Изучение ее проблем он посвятил большинство своих исследований. К концу жизни ученый написал ставший классическим трехтомный труд «Физиология растений», в котором мы находим описание его собственных исследований суточных движений у растений. Эти исследования добавили многое к тому, что наблюдали де Мэран и Дюамель.

Подобно своим соотечественникам, Декандоль начал исследования с наблюдений над чувствительными растениями. Поскольку он придавал большое значение линнеевской классификации, для него стало законом при описании материала, с которым приходилось работать, давать растениям полное название — родовое и видовое, — например Mimosa pudica (мимоза стыдливая). Своими наблюдениями Декандоль подтвердил результаты, полученные де Мэраном и Дюамелем, и, кроме того, доказал, что поникание и расправление листьев не зависят ни от температуры, ни от влажности (в пределах доступной в то время точности эксперимента), а явно связаны с восходом и заходом солнца. Следующий этап его исследований можно назвать действительно творческим.

Прежде всего он установил шесть ламп, которые одновременно и непрерывно освещали растения, так что интенсивность освещения приблизительно соответствовала освещенности в облачный день. С «точки зрения» этих растений ночь не наступала никогда. И тем не менее растения продолжали опускать листья на ночь, а по утрам поднимали их примерно в то же самое время, что и при нормальном чередовании дня и ночи. Но Декандолю удалось обнаружить одно очень важное отличие. Часы этих непрерывно освещаемых растений шли быстрее нормальных! Растения заканчивали свои суточные циклы не за 24 часа, а примерно за 22–22,5 часа. Такое поведение, как мы увидим дальше, очень характерно для живых часов, когда их лишают внешних временных ориентиров.

Затем Декандоль стал включать лампы на ночь и выключать их днем, так что растения освещались по ночам и были лишены света днем. Это несколько сбило растениям ритм, но не надолго. Постепенно они вошли в фазу с новым ритмом чередования света и темноты: опускали листья в соответствии с предлагаемой им ночью и поднимали их, когда включение ламп заменяло им наступление рассвета. Вскоре растения полностью перешли на новый режим и точно выдерживали его.

Продолжая свои наблюдения, Декандоль обнаружил, что поведение других чувствительных растений сходно с поведением Mimosa pudica, хотя и менее четко выражено. Но в то же время некоторые растения, например два вида кислицы, отказывались перейти на обращенный режим освещения. По-видимому, решил Декандоль, разным видам растений требуется разная интенсивность освещения для изменения их привычной реакции на чередование света и темноты. В публикациях Декандоля нет никаких других суждений на этот счет, однако в следующих главах мы увидим, насколько точными были его предположения.

Следуя по пути накопления знаний о ритмах у растений в строго хронологическом порядке, мы должны были бы теперь обратиться к работам о движении растений, принадлежащим Чарлзу Дарвину, которые были выполнены им уже в преклонном возрасте. Но место Дарвина в науке столь велико, что этот материал выделен нами в отдельную главу, чтобы показать работу Дарвина о суточных движениях листьев в соответствии с ее значимостью. А пока мы посмотрим, насколько движение крохотных морских червячков, живших в стеклянной пробирке в Париже, точно соответствовало подъему и спаду прилива в устье Сены.

Имени Жоржа Бона вы не встретите в биографических справочниках деятелей науки. И тем не менее он сделал удивительное открытие, которое почти на полстолетия предвосхитило одну из самых поразительных работ по ритмам у морских организмов.

Оставив Париж в конце июля 1903 года, Жорж Бон провел более месяца на берегах Ла-Манша возле устья Сены, наблюдая за поведением Convoluta roscoffensis (это маленький морской плоский червь, который живет в песке на морском берегу и имеет ярко-зеленую окраску, вызванную присутствием в его тканях симбиотических водорослей). Давайте отправимся в университетскую библиотеку и откроем том Трудов Парижской академии наук за 1903 год. Там на странице 756 мы увидим сообщение «О ритмических движениях Convoluta roscoffensis», выполненное Жоржем Боном и представленное Академии Эдмоном Перье.

Непосредственно за статьей Бона следует комментарий Перье:

Кратко суммируя результаты эксперимента, можно сказать, что Convoluta и в аквариуме и в природных условиях движется вертикально вверх и вниз в толще песка, а также горизонтально вдоль песчаных склонов. Эти движения носят колебательный характер; при этом значительные передвижения, происходящие синхронно с подъемом приливов, маскируют небольшие перемещения, вызываемые подсыханием песка или изменением интенсивности освещения.

Конечно, можно только удивляться, почему ни Бон, ни Перье не подчеркнули важности того факта, что эти зеленые червячки, находясь в Парижском аквариуме, точно реагировали на приливы и отливы в устье Сены, откуда они были привезены. Вполне возможно, что Бон в своих выводах что-то упустил. Во всяком случае, этот важный момент ускользнул от внимания обоих.

Полной противоположностью Жоржу Бону был известный немецкий ботаник Вильгельм Пфеффер. Этот удивительно трудолюбивый исследователь всю свою жизнь с двадцатилетнего возраста, когда он получил докторскую степень в Гёттингенском университете, и вплоть до своей смерти в 1920 году, в возрасте семидесяти пяти лет, регулярно публиковал свои научные сообщения. Выдвинутые им идеи настолько основополагающи, что ученые наших дней в своей работе с живым материалом — растениями и животными — или объектами, занимающими промежуточное положение между живой и неживой природой, опираются на его учение так же уверенно, как и на закон всемирного тяготения.

Как и Декандоль, Пфеффер наблюдал суточные движения листьев у растений. Для своих наблюдений Пфеффер избрал молодые растения фасоли, материал легко доступный и удобный для экспериментирования. Как и Декандоль, Пфеффер обнаружил, что листья растений сохраняют ритмику суточных движений и в том случае, если освещение и температура поддерживаются постоянными. Но в отличие от Декандоля наблюдения Пфеффера были более подробными и полными и, следовательно, результаты — более убедительными.

Однако все эти наблюдения представляются малозначительными по сравнению с открытиями, сделанными ученым к 1880 году. Во-первых, он обнаружил существование функциональной зависимости осмотического давления раствора от его концентрации — зависимости, которая и в настоящее время объясняет основы поведения всех живых клеток. Кроме того, Пфеффер сконструировал новый прибор, так называемый клиностат, который позволил изучать реакцию растений на земное притяжение. Но подробнее мы поговорим об этом ниже, а сейчас познакомимся с самим ученым и диапазоном его интересов и достижений.

Вильгельм Фредерик Филипп Пфеффер родился 9 марта 1845 года в Грабенштейне около Касселя. После защиты докторской диссертации по ботанике он получил должность профессора в Боннском университете. Затем преподавал ботанику поочередно в Базеле, Тюбингене и, наконец, в Лейпциге, где он возглавлял Ботанический институт. Пфеффер был почетным членом Лондонского королевского общества и членом Парижской академии. В возрасте 35 лет он закончил и опубликовал свой капитальный труд «Физиология растений».

Содержание этого многотомного труда хорошо показывает круг интересов Пфеффера. Определив общие задачи физиологии, он попытался описать структуру и функции органов растений, связь растительных клеток со структурой вещества, механизм поглощения и переноса веществ в организме растений, движение воды в виде жидкости и пара, питательные вещества растений (включая углекислый газ, органические и минеральные вещества, в особенности азот), «созидающий» и «разлагающий» обмен веществ, а также процессы дыхания и брожения.

Обратившись к вопросам роста и гибели растений, он рассмотрел механику роста, взаимосвязь роста с клеточным делением, упругость и прочность растительного организма, давление и напряжение в тканях, влияние на рост растений таких внешних факторов, как свет, температура, магнитные и электрические поля, сила тяжести и центробежная сила, химические и механические воздействия. Кроме того, он коснулся причин, определяющих специфическую форму растений в целом и их отдельных частей, проблем изменчивости и наследственности, периодичности роста, устойчивости к экстремальным воздействиям и смерти растительного организма. Далее он описал движения растений, влияние на них силы тяжести, солнечного света, температуры, химических веществ, воды и электрических полей. Пфеффер изучал способность растений к движению. Ему удалось выяснить, что они склонны перемещаться в сторону наиболее благоприятных условий питания и развития. И наконец, он рассмотрел образование растениями тепла, света и электричества. Этот раздел он завершил коротким выводом, касающимся источников и трансформации энергии в растениях. Словом, интересы его были всесторонни.

Среди этого множества идей два направления исследований Пфеффера наиболее тесно связаны с современным изучением ритмов у растений: изучение осмотического давления в клетках и действия силы тяжести на движения растений.

В поисках путей изучения действия силы тяжести Пфеффер предположил, что если растущее в горшке растение вместо обычного вертикального положения расположить горизонтально и с помощью механического привода вращать горшок вокруг горизонтальной оси, то действие силы тяжести будет аннулировано. «Когда молодое растение медленно и равномерно вращается с помощью клиностата таким образом, что каждый оборот совершается за 3–4 минуты, положение растения непрерывно меняется и действие силы тяжести не успевает проявиться, — писал Пфеффер. — Для большинства растений при скорости вращения 2–3 оборота в час действие центробежной силы не ощущается и ни стебель, ни корни не успевают изогнуться. Вращением на клиностате можно избежать и гелиотропического искривления (наклона в сторону солнца), вызываемого односторонним освещением. Таким образом, вращение растения вокруг горизонтальной оси под прямым углом к направлению освещения позволяет освободиться и от гелиотропического и от геотропического (искривление под действием силы тяжести) действий на организм».

Рис. 8. В клиностате Пфеффера движение осуществляется механизмом, прикрепленным к крышке (а) тяжелого ящика (б). Один из трех стержней на поверхности крышки соединен карданной передачей с осью (в), которая вращается на фрикционных колесиках (г). На пластинке, укрепленной на оси в, устанавливают горшок с растением (д). Крышка ящика наклоняется под разными углами, фиксируясь винтовым зажимом (е), так что горшок с растением можно вращать не только вокруг вертикальной, но и вокруг наклонной оси. В качестве противовеса для компенсации неправильностей в распределении вращающихся деталей используется регулируемый вес (ж).

Вращая сеянцы фасоли, Пфеффер обнаружил, что отсутствие действия силы тяжести вызывает изменения в положении листьев. Что это за изменения? Пфеффер попробовал вращать на клиностате растение, перевернутое вверх корнями, и сразу же заметил, что листья из нормального, дневного, положения «перешли в положение, напоминающее то, которое они принимают ночью».

Современному биологу ясно, что Пфеффер пытался посредством своего клиностата решить слишком много вопросов, так что полученные с помощью этого прибора результаты могут показаться недостаточно убедительными. И все же именно этот самый клиностат натолкнул ученых на эксперименты, поставленные, как мы увидим далее, в 1960 году на Южном полюсе.

Научный вклад Пфеффера в изучение влияния осмотического давления на функции живой клетки состоял в проведении исследований, которые можно назвать экспериментальными в самом современном смысле этого слова. Правильно спланированная программа исследований развивается от общего к частному. Например, биолог, интересующийся изучением зеленых червячков, с которыми работал Бон, начал бы с наблюдений за общим поведением популяции этих созданий, передвигающихся вниз и вверх в толще песка, затем перешел бы к изучению движений отдельного индивидуума, отдельной клетки такого индивидуума и, наконец, к биохимической природе составляющих клетки частей.

Пфеффер проложил путь для подобных исследований, занявшись изучением переноса химических веществ сквозь гибкие мембраны, выстилающие стенки клеток. В общем его представления сводились к следующему. Проникнет ли данное вещество внутрь клетки, зависит от характера клеточной стенки и гибких мембран. Клетка поглощает такое вещество до тех пор, пока не будет достигнуто равновесие. Если же достигнутое равновесие постоянно нарушается, происходит непрерывное поглощение вещества. В этом случае относительно большие количества какого-то определенного вещества могут поглощаться даже из очень разбавленного раствора; при этом одно из веществ будет поглощаться в большом количестве, тогда как другое не будет поглощаться вовсе. Постоянное нарушение равновесия может иметь место в том случае, если поглощаемые вещества немедленно подвергаются химическим изменениям, переходя в растворимые или нерастворимые соединения другой природы.

Рис. 9. Горшок с Phaseolus multiflorus в перевернутом положении. У черешков первой пары листьев, фиксированных проволокой (а), изгибаться может только листовая подушечка у основания пластинки. Лист 1 принял дневное положение, а лист 2 показан так, как если бы он находился в ночном положении. Листочки трехлопастного листа 3, выполняя нормальные суточные движения, приняли дневное положение за счет искривления отделительного сочленения.

Рис. 10. Осмотическое давление в клетке кончика корешка кукурузы (увеличена в 250 раз), может достигать более 7 килограммов на квадратный сантиметр.

Но как же Пфефферу удавалось изучать действие клеточной мембраны при ограниченных возможностях лабораторного оборудования восьмидесятых годов прошлого века? Возьмем, к примеру, перенос веществ через клеточные мембраны корешков кукурузы. Размеры этих клеток настолько малы, что, даже увеличенные в 150 раз, едва достигнут одного сантиметра. Работать с таким мелким объектом с помощью доступных в то время методов было невозможно. И Пфефферу пришлось изобретать то, что наиболее близко могло бы имитировать мембрану клетки. В сущности, ему нужна была мембрана, проницаемая для мелких молекул, таких, как молекулы воды, и непроницаемая для молекул более крупных, как, например, молекулы сахара.

Может быть, подойдет ферроцианид меди, который использовал немецкий химик Траубе при изготовлении своих клеток — ячеек? Это вязкое коричневое вещество похоже на густой раствор желатина. В качестве механической опоры Пфеффер воспользовался сосудиками из необожженной пористой глины, которые «после максимально тщательного промывания» пропитывались раствором либо хлористой, либо уксуснокислой меди, затем промывались дистиллированной водой и подвешивались в растворе ферроцианида калия. Таким путем Пфеффер добивался образования исключительно тонкой пленки студенистого ферроцианида меди внутри пор глиняного сосуда. Наконец, сосудики многократно отмачивались в нескольких сменах дистиллированной воды для удаления всех следов не выпавших в осадок растворимых солей.

Оставалось узнать, действуют ли эти «мембраны» подобно мембранам живых клеток. Налив в один из сосудиков раствор сахара, ученый погрузил его в сосуд с дистиллированной водой. И вдруг, к своему неописуемому восторгу, он заметил, что уровень жидкости в сосудике начал медленно подниматься: втягивалась вода, находящаяся в нижнем сосуде. А как же сахар? Проходил ли он через мембрану вниз, в дистиллированную воду? Стала ли она сладкой? Трудно себе представить, чтобы Пфеффер не попробовал ее на вкус. Он не написал об этом. В любом случае за его первыми попытками последовала большая серия экспериментов, окончательно доказавших, что мембрана пропускает чистую воду, но препятствует прохождению сахара. Пфефферу удалось получить мембрану, которая работала, как мембрана живых клеток. При этом техника изготовления таких мембран была настолько простой, что он мог получать их в любом количестве.

Следующей задачей ученого было измерить силу, которая заставляет чистую воду проходить через мембрану в раствор сахара. Пришло время перейти от качественных наблюдений к количественным.

Для количественных измерений потребовалось всего лишь очень простое дополнение к его сосудам. Их отверстия он заткнул пробками, в которые предварительно вставил стеклянные трубки. Теперь вода, втягиваемая в сосуд, поднималась по трубке до тех пор, пока осмотическое давление раствора не компенсировалось весом столба жидкости в трубке.

Пфеффер провел целую серию экспериментов, постепенно увеличивая концентрацию сахара в исходных растворах и измеряя высоту, на которую поднимались растворы в стеклянных трубках. Оказалось, что, чем большей была концентрация сахара в исходном растворе, тем выше поднимался столб жидкости. На графике зависимости высоты столба жидкости от концентрации сахара в растворе точки, соответствующие результатам измерений, выстраивались в прямую линию. Так было окончательно доказано, что осмотическое давление раствора прямо пропорционально концентрации растворенного вещества. Современные ученые полагаются на это количественное соотношение в своей повседневной работе как на нечто само собой разумеющееся. Да и те, кто работает в наше время в области клеточной физиологии, понимают работу внутренних механизмов клетки значительно глубже, чем Пфеффер. Но, как сказал Исаак Ньютон: «Если я и видел дальше… то стоя на плечах гигантов».

Рис. 11. Простой прибор, очень похожий на тот, которым пользовался Вильгельм Пфеффер, чтобы измерить осмотическое давление в растворе сахара.

В конце лета 1884 года профессор химии Рижского политехнического училища (в будущем известный физико-химик) Вильгельм Оствальд взошел на корабль, направлявшийся в Стокгольм. У него была диссертация молодого шведа по имени Сванте Аррениус, которую он считал блестящей. По его мнению, труд Аррениуса недооценили в Упсальском университете. Хотя Аррениусу и присудили докторскую степень (под аккомпанемент традиционного пушечного салюта), его работу классифицировали как труд «четвертого класса».

Идеи, выдвинутые Аррениусом, могли оказаться правильными, и их признание, несомненно, открывало для химии новые перспективы. Поэтому Оствальд не успокоился, пока не предстал перед Пером Клеве — директором Упсальской лаборатории, столь небрежно отвергнувшим новую теорию Аррениуса. Теория электролитической диссоциации (так называлась эта теория) впоследствии была восторженно принята всеми химиками мира и принесла Сванте Аррениусу Нобелевскую премию по химии.

Сущность теории электролитической диссоциации сводилась к тому, что неорганические вещества при растворении распадаются на ионы, то есть атомы, или группы атомов, несущие определенные электрические заряды: одни — положительные, другие — отрицательные. И в тех случаях, когда химическая реакция протекает в растворе, она идет только между этими ионами.

Если, например, взять столовую ложку обычной поваренной соли и растворить ее в воде, произойдет следующее:

Химический элемент натрий — это легкий белый металл. Он очень мягок (его можно резать даже тупым ножом). Натрий настолько бурно реагирует с водой, что не может сохраняться на открытом воздухе, если в нем присутствуют хотя бы следы водяного пара. Хлор представляет собой желто-зеленый ядовитый газ. Когда атомы этих двух элементов электрически заряжены и находятся вместе в водном растворе, мы имеем всего лишь обычную соленую воду. При этом ионы натрия и хлора способны быстро реагировать с другими ионами, добавляемыми в воду.

Представитель старой школы, Клеве, смотрел на Аррениуса как на молодого выскочку, считая безответственным его назначение доцентом в Упсале и подозревая, что эта новая теория граничит с помешательством.

Рис. 12. Сванте Аррениус, лауреат Нобелевской премии 1903 года по химии.

Карьера ученого, отважившегося бросить вызов укоренившимся идеям, началась весьма бурно. И последующие годы его деятельности также не были спокойными. Аррениус продолжал бороться, поддерживаемый, кроме Оствальда, еще несколькими химиками, в том числе голландским профессором Якобусом Вант-Гоффом, и спустя много лет победил. В 1903 году Аррениус был удостоен Нобелевской премии по химии, а вскоре после этого Берлинская академия наук пригласила его на должность профессора химии. Еще позже Шведская академия наук предложила Аррениусу пост директора Института физической химии в Стокгольме. Здесь, в прекрасно оборудованной лаборатории, Аррениус мог без помех работать над проблемами физической химии, биохимии, иммунохимии, метеорологии и космической физики.

Одной из увлекавших его проблем был вопрос о том, каким образом влияние космических факторов отражается на физиологическом состоянии растений, животных и человека. За разработку этой проблемы Аррениус взялся с присущей ему смелостью.

Он изучил данные о периодических вспышках бронхита, о периодичности рождений и смертей в разных частях земного шара, о периодичности менструаций у женщин. По мнению Аррениуса, период во всех этих случаях примерно соответствовал лунному месяцу. Были у него и данные, на основании которых можно было предположить периодичность приступов эпилепсии. Аррениус сравнил графики, которые отражали наибольшие и наименьшие частоты этих физиологических изменений с графиками изменений концентрации электрических зарядов в атмосфере и заключил, что между этими явлениями существует совершенно определенная зависимость.

Более того, он попробовал объяснить это. «Физиологическое воздействие атмосферного электричества, — писал он, — которое, как известно, оказывает влияние на растения, может влиять и на всю живую природу в целом. Высокая электрическая напряженность воздуха может вызывать химические реакции, которые оказывают влияние на организм, например, на репродуктивный цикл червей палоло и других животных. Вполне вероятно, что атмосферное электричество заметно сказывается на состоянии людей с расстроенной нервной системой».

Аррениус интересовался многими проблемами, предоставляя детальную разработку своих гипотез ученым с более методичным складом характера. Однако в течение полустолетия ничего не было сделано в отношении дальнейшей разработки проблемы влияния космических сил на периодичность у живых организмов[2].

4. Почему растения спят

Пожалуй, не так уж много ученых подарило миру идеи, которые коренным образом изменили взгляды человека на окружающую природу. Величайшими из этих гигантов были Галилео Галилей, Исаак Ньютон, Чарлз Дарвин, Альберт Эйнштейн. Труды Дарвина настолько всеобъемлющи и плодотворны, что до сих пор продолжают служить источником все новых и новых исследований и открытий.

24 ноября 1859 года на прилавках лондонских магазинов появился трактат Чарлза Дарвина «Происхождение видов путем естественного отбора, или сохранение благоприятствуемых пород в борьбе за жизнь». Все издание книги — 1250 экземпляров — разошлось в один день. Так началась история «самой важной естественнонаучной публикации девятнадцатого столетия». Она же положила начало и самой ожесточенной дискуссии, которая продолжалась еще долгие годы спустя. Уже в нашем столетии, в июле 1925 года, в штате Теннесси был осужден преподаватель Дж. Скоупс. Его обвинили в нарушении закона, по которому запрещалось «с университетской кафедры, а также в любых других учебных заведениях штата провозглашать теории, отрицающие божественное происхождение человека, как учит тому Библия, и утверждающие, что человек произошел от более низкоорганизованных животных». Процесс вызвал широкие отклики в прессе, но никто из репортеров так и не смог поведать миру, правильна ли теория естественного отбора или нет. Судья просто не допустил обсуждения этого вопроса.

Такого развития событий Дарвин, разумеется, не мог предвидеть. Двадцать лет занимался он кропотливыми наблюдениями и экспериментами, изучил сотни трудов других исследователей. Написание самого «трактата» стоило ему, по его собственному признанию, «тринадцати с половиной месяцев тяжкого труда». Когда в 1869 году готовилось к публикации пятое издание, он писал Дж. Д. Хукеру, известному ботанику и своему давнишнему другу: «Если бы я прожил на двадцать лет больше и мог бы продолжать работать, я бы заново переписал «Происхождение»: очень многие его положения требуют переработки!».

Через десять с лишним лет после выхода в свет «Происхождения видов» Томас Генри Гексли, биолог, член десяти королевских комиссий, писал: «Что бы ни думали, что бы ни говорили об учении мистера Дарвина, несомненно одно — за десять лет «Происхождение видов» произвело столь же полную революцию в биологической науке, как «Начала» Ньютона в астрономии, потому что, как отметил Гельмгольц, в нем содержится по существу новая созидательная мысль».

Вслед за «Происхождением видов» в 1871 году был опубликован еще один труд Дарвина по теории эволюции — «Происхождение человека и половой отбор».

В этой книге Дарвин шире развернул некоторые взгляды, выдвинутые им в «Происхождении видов», и пошел дальше, логически применив принципы естественного отбора к человеку. На многочисленных примерах он показал, что предками человека были обезьяноподобные существа, родственные предкам современных шимпанзе, орангутанов и горилл.

Основные положения этих двух трудов Дарвина сводятся к следующему. «Во-первых, все современные виды растений и животных произошли от ранее существовавших, вообще говоря, более простых форм. Во-вторых, изменчивость видов частично обусловлена внешней средой В-третьих, в борьбе за существование выживают наиболее приспособленные организмы, так как они лучше своих конкурентов адаптируются к окружающим условиям. В-четвертых, внутривидовая дифференциация может вызываться и половым отбором. И наконец, в-пятых, некоторые изменения возникали, по-видимому, спонтанно. Последнее положение Дарвина получило дальнейшее развитие в учении о мутациях».

Свою научную карьеру Чарлз Дарвин начал в 1831 году, когда он отправился в пятилетнее кругосветное путешествие на корабле «Бигль». А через пятьдесят лет, уже членом-корреспондентом Ботанического отделения Института Франции, он опубликовал свой последний значительный труд «Способность к движению у растений». Эти пятьдесят лет жизни Дарвина можно разделить на три основных периода: период сбора данных, период их осмысливания и период обработки собранных материалов.

Во время путешествия на «Бигле» Дарвин собирал коллекции и вел наблюдения над удивительным многообразием растительного и животного мира. Работая над книгами «Происхождение видов» и «Происхождение человека», описывая и обдумывая свои наблюдения, Дарвин систематизировал этот обильный и разнообразный материал в единую общую теорию, ставшую исторической вехой в развитии биологической науки.

Все последующие годы он проверял правильность своей теории в экспериментах на растениях. Хотя Дарвин и не был физиологом растений в современном понимании этого слова, он все же не ограничивался в своих исследованиях чисто описательным подходом. Именно он предложил гипотезы, которым было суждено спустя десятилетия привести ученых к пониманию того, почему те или иные организмы ведут себя определенным, только им свойственным образом.

Интерес Дарвина к росту и тургорным движениям у высших растений был всеохватывающим. Тут и свертывание листьев на ночь, предотвращающее излишнюю потерю влаги, и колебательные движения виноградной лозы, благодаря которым ей удается отыскать опору, и изгибание дугой подсемядольного колена, помогающее ему пробиваться сквозь почву, тут и раскидывание листьев, увеличивающее зеленую поверхность для улавливания солнечных лучей, и поворачивание цветоносов, и зарывание в землю плодов, и случайные мутации, и огибание корнями всяких препятствий в земле, а также влияние света, силы тяжести и влажности на выбор растениями положения, оптимального для их дальнейшего роста.

Еще в 1863 году Дарвин писал профессору Асе Грею о своем увлечении наблюдениями за движением усиков и верхних междоузлий. «…Движение усиков независимо от движения верхних междоузлий, но и усики и междоузлия работают согласованно, описывая круги в одном направлении. Когда побег Apocyneae, который неуклонно тянется вверх, подыскивая, за что бы уцепиться, встречает опору, движение в этом месте прекращается, но продолжается в его верхушечной части. Так что все лазящие растения поднимаются в результате спонтанного кругового движения верхних междоузлий».

Летом 1877 года Дарвин серьезно болел. Но и лежа в постели, он продолжал наблюдать медленные круговые движения растущего усика. Постепенно вырисовывалась программа изучения связи различных движений у растений с приспособленностью этих растений к выживанию. К осени с помощью друзей он собрал коллекцию, в которой было около трехсот видов растений со всех частей земного шара.

Исследования, в которых Дарвину помогал его сын Фрэнсис, длились около трех лет. Результатом этих исследований и явилась книга «Способность к движению у растений», в которой дано детальнейшее описание буквально тысяч экспериментов. Одни из них оказались неудачными, другие неубедительными, но большинство были действительно превосходны. Для нас интересны две последние серии экспериментов (с проростками канареечника и виргинским табаком), повлиявшие на дальнейшие исследования.

В экспериментах с проростками канареечника Дарвин стремился выяснить, влияет ли на организм растения освещение его небольшой части, и если да, то как это влияние передается его другим частям.

Наблюдая, с какой точностью семядоли[3] этого растения изгибались к свету небольшой лампы, мы пришли к мысли, что самая верхняя часть семядоли определяла направление изгиба части, расположенной ниже. Когда на семядоли действует свет, то сначала изгибается верхняя часть, а позже изгиб постепенно распространяется вниз к основанию и, как мы сейчас увидим, даже несколько ниже почвы.

Как проверить, что светочувствительный участок растущего побега находится где-то около верхушки? По-видимому, закрывая эту верхушку от света. Именно так и поступил Дарвин, испробовав при этом несколько методов. Он закрывал верхушки колеоптилей канареечника Phalaris canadensis колпачками из тонкой оловянной фольги, окрашивал их тушью или черным лаком, надевал на них покрашенные изнутри трубочки из тонкого стекла и даже отрезал кончики колеоптилей. Самый надежный результат, по его мнению, давали стеклянные трубочки, поскольку они позволяли вести параллельно контрольный эксперимент, чтобы учесть влияние, которое мог оказать вес самих трубочек.

Колпачки делались из трубочек тончайшего стекла, которые после окрашивания в черный цвет служили хорошо, но имели тот большой недостаток, что нижние края их нельзя было сжимать. Впрочем, применялись трубки, которые почти совсем плотно охватывали семядоли, а на земле, чтобы предотвратить отражение света от почвы вверх, вокруг каждого из проростков помещалась черная бумага. Такие трубки в одном отношении были лучше, чем колпачки из станиоля, а именно они давали возможность одновременно покрывать некоторые семядоли прозрачными, а другие непрозрачными трубками, и таким образом наши опыты можно было контролировать.

Мы начнем со стеклянных трубок. Верхушки девяти семядолей, несколько различающихся по высоте, менее чем наполовину своей длины заключены в бесцветные или прозрачные трубки. Затем они были выставлены в ясный день на 8 часов перед юго-западным окном. Все они сильно изогнулись к свету, в той же степени, как и многие другие свободные проростки в тех же горшках. Таким образом, стеклянные трубки, наверное, не препятствовали семядолям изгибаться к свету. Девятнадцать других семядолей одновременно были подобным же образом заключены в трубки, густо окрашенные тушью. У пяти из них краска, к нашему удивлению, после экспозиции на солнечном свету съежилась, причем образовались очень узкие трещинки, через которые проходило немного света. Эти пять случаев были отброшены.

Из остальных четырнадцати семядолей, нижние половинки которых в течение всего времени находились на полном свету, семь остались совершенно прямыми и вертикальными, одна изогнулась к свету значительно, а шесть — слегка; однако оставшиеся открытыми основания большинства из них были почти или совершенно прямы. Возможно, что немного света могло отражаться вверх от почвы и входить в основания этих семи трубок, так как солнце светило ярко, хотя на почву вокруг них и были положены куски зачерненной бумаги. Тем не менее семь слегка изогнутых семядолей вместе с семью прямыми по своему виду представляли в высшей степени замечательный контраст со многими другими проростками в тех же горшках, не подвергшимися никакой обработке. Затем у десяти из этих проростков зачерненные трубки были удалены, и после этого в течение восьми часов они находились перед лампой. Девять из них изогнулись к свету сильно и один умеренно, доказывая этим, что прежнее отсутствие всякого изгиба в базальной части либо наличие лишь слабого изгиба были обусловлены затемнением верхней части.

После аналогичной серии экспериментов с использованием колпачков из оловянной фольги автор сделал вывод: «Из этих нескольких серий опытов, включая опыты со стеклянными трубками и опыты со срезанием верхушек, мы можем заключить, что затемнение верхней части семядолей Phalaris препятствует нижней части изгибаться, хотя бы она полностью была освещена с одной стороны. Мы должны, следовательно, заключить, что когда проростки свободно выставлены на боковой свет, то из верхней части в нижнюю передается некоторое влияние, заставляющее последнюю изгибаться».

Рис. 13. В процессе роста растения наклоняются к источнику света. Закрывая верхнюю часть проростков канареечника, Чарлз и Фрэнсис Дарвины показали, что влияние, которое вызывает изгиб растений, возникает в верхушечной части проростков.

Наблюдения Дарвина привели его к выводу о том, что в клетках, находящихся у самого окончания колеоптиля, образуется какое-то особое, физиологически активное вещество, сильно ускоряющее растяжение клеток и их рост. Позднее в результате кропотливой работы ученых (Н. Холодный и Ф. Вент) удалось выделить и исследовать это вещество, которое было названо ауксином.

Фитогормон (гормон растительного происхождения) ауксин, как теперь известно, влияет почти на все стадии роста и развития высших растений. Он образуется в молодых, активно растущих частях растений: точках роста стеблей, в верхушках корней, в молодых листьях и почках. Ауксин способен передвигаться вниз по стеблю или вверх по корню. Весной ауксин движется вниз по стеблю и стимулирует деление клеток, определяющее рост стебля в толщину. Большее количество ауксина на нижней стороне ствола наклонившихся деревьев приводит к тому, что в клетках этой стороны развиваются особенно прочные стенки. Под влиянием ауксина на корнях образуются первичные волоски. Ауксин удерживает почки в дремлющем состоянии, предотвращает опадение листьев. Под его контролем находятся некоторые стадии развития плодов, например увеличение их размера. И наконец, неравномерным распределением ауксина в осевых органах объясняются ростовые движения у растений.

К ростовым движениям растений относятся настии и тропизмы. Настические движения вызываются всесторонним (ненаправленным) действием раздражителя, существующего во внешней среде (термонастии, фотонастии, сейсмонастии и т. д.). Тропизм же представляет собой изгиб органа растений, происходящий в результате одностороннего действия раздражителя. При этом наклон органа может быть направлен и в сторону раздражителя и от него. Так, проростки канареечника, с которыми работал Дарвин, наклонялись в сторону источника света, а когда его убирали, возвращались в вертикальное положение в результате отрицательного геотропизма (отклонение в сторону, противоположную земному притяжению).

Рис. 14. При равномерном освещении проростков канареечника со всех сторон, они не искривляются независимо от того, экранированы их верхушки от света или нет.

Как мы уже говорили, изучая движения у растений, Дарвин прежде всего стремился выяснить их эволюционную значимость. Все виды движений у растений Дарвин рассматривал как проявление раздражимости и как результат приспособления растений к изменяющимся условиям среды. Его методы постановки экспериментов были удивительно изящными по своей простоте.

Рис. 15. Дарвиновский метод регистрации движения листьев. На вертикальном стекле отмечали точку в на продолжении линии, соединяющей точку а (черная точка на белом картоне позади растения) с точкой б (капелька сургуча на конце стеклянной нити, прикрепленной к кончику листа). По мере того как лист двигался, эту операцию повторяли. Затем эти точки переносили на кальку и соединяли стрелками, указывая направление движения.

Методы наблюдения. — Движения различных органов, которые мы наблюдали, иногда очень небольшие, иногда же значительные по величине, зарисовывались по способу, который после многих опытов мы нашли наилучшим и который должен быть здесь описан. Растения, растущие в горшках, были защищены от света полностью или же освещались сверху, или с одной стороны, как этого требовал опыт, и покрывались большой горизонтальной стеклянной пластинкой сверху и такой же вертикальной с одной какой-либо стороны. Стеклянная нить не толще конского волоса и длиною до трех четвертей дюйма прикреплялась к органу, над которым велись наблюдения, при помощи шеллака, растворенного в спирте. Мы оставляли раствор испаряться, пока он не становился таким густым, что затвердевал в течение двух-трех секунд. Он никогда не повреждал тканей, даже если его прикладывали к кончикам нежных корешков. На конце стеклянной нити был укреплен чрезвычайно маленький шарик черного сургуча, ниже и позади которого на палке, воткнутой в землю, находился кусок картона с черной точкой. Вес нити был так ничтожен, что даже малые листья не гнулись заметно под ее тяжестью. Шарик и точка на картоне визировались через горизонтальную или вертикальную стеклянную пластинку соответственно положению объекта, и, когда первый в точности совпадал со вторым, на стеклянной пластинке ставилась точка при помощи тонко заостренной палочки, обмакнутой в густую тушь. Следующие точки наносились через короткие промежутки времени, и все они затем соединялись прямыми линиями. Зарисованные таким образом фигуры имели вид ломаных линий; однако если бы точки отмечались через каждые одну или две минуты, то линии более приближались бы к кривым, как это имело место в тех случаях, когда корешки сами зарисовывали свой путь на закопченных стеклянных пластинках. Аккуратно отмечать точки было единственной трудностью и требовало некоторой практики. Этого нельзя было сделать вполне точно, когда движение было сильно увеличено, примерно раз в тридцать и больше; но даже в этом случае общий ход движения передавался правильно.

Для проверки точности описанного метода наблюдения нить прикреплялась к неживому объекту, который затем передвигали по прямой линии, причем на стеклянной пластинке несколько раз отмечались точки; после их соединения должна была получиться совершенно прямая линия, и линия действительно была очень близка к прямой. Можно добавить, что когда точка на картоне находилась на полдюйма ниже или позади шарика из сургуча, а стеклянная пластинка (предполагая, что она была соответственно изогнута) помещалась с противоположной стороны на расстоянии семи дюймов (обычное расстояние), то рисунок представлял движение шарика увеличенным в пятнадцать раз.

После того… точки копировались на прозрачной бумаге и соединялись сложными линиями со стрелками, указывающими направление движения. Ночные движения представлены прерывистыми прямыми линиями. Как можно видеть из диаграмм, первая точка всегда делалась больше других, чтобы привлечь к ней внимание.

Рис. 16. Рисунок Чарлза Дарвина, сделанный им с фотографии виргинского табака. У одного из растений листья расправлены на день (слева), у другого — сложены на ночь (справа).

Рис. 17. Движение листа виргинского табака, записанное Дарвином. Крупная точка слева внизу указывает исходное положение; стрелки — направление движения; сплошные линии — движение в дневное время, пунктирные — в ночное.

Пользуясь этим методом, Дарвин проследил за движениями листьев многих растений в самых различных условиях. Основным раздражителем, действие которого испытывал Дарвин, был свет — сильный и слабый, рассеянный и направленный; и даже полное его отсутствие, за исключением кратких моментов для наблюдений.

Эксперимент с виргинским табаком позволил получить типичную запись движений листьев. В книге Дарвин впервые привел рисунок табака Solaneae с листьями, расправленными в дневное время и сложенными на ночь. Там же приведен график движения, полученный для пятого над колеоптилем листа виргинского табака. В основном траектория движения листа имела вид вытянутого эллипса, достигая самой нижней его точки между 15 и 17 часами и высшей — между 22 и 23 часами. В один из дней лист расправился менее полно, чем в два других, и поэтому описал небольшой зигзаг. Простота движения этого листа произвела на Дарвина большое впечатление.

Большинство графиков (а он исследовал 55 видов растений, у которых засыпали колеоптили, и 86 видов, у которых засыпали листья) свидетельствовало о значительно более сложных «движениях сна». Иногда листья поднимались и опадали крошечными скачками, а иногда плавными волнообразными движениями. Часто подъем и опускание листьев сопровождались скручиванием. Иногда листья спали, поднявшись и сложившись вместе, а. иногда — поникая вниз. В других случаях внешние листья укрывали более нежные внутренние, как это бывает в закрывающемся на ночь цветке.

Все это привело Дарвина к очень интересному выводу. Во время сна листья всегда принимают такое положение, чтобы их поверхность, обращенная к ночному небу, была минимальной. Это и был тот ключ к эволюционным взаимоотношениям, который он искал! Растения путем естественного отбора приобрели идеальный механизм для защиты от холода. От того, как расположатся листья ночью, зависит, сколько тепла потеряют они за счет излучения.

Для подтверждения этого вывода Дарвин выносил из теплицы на мороз кислицу, земляной орех, кассию, шесть разновидностей донника, лотос и марсилию. Листья, за которыми предполагалось вести наблюдение, он укрепил в горизонтальном положении, наколов их с помощью энтомологических булавок на подставленные снизу пластинки из коры. На ночь эти листья остались в развернутом положении, в то время как контрольные свернулись.

Полученные результаты подтвердили сделанный Дарвином вывод. Как правило, листья, укрепленные горизонтально, оказывались сильно поврежденными и даже погибали, тогда как листья, находившиеся в нормальном спящем положении, выживали. Правда, некоторые растения оказались настолько чувствительными, что большинство их листьев — и опытных и контрольных — вообще погибло, — а некоторые, по-видимому устойчивые к морозам, не потеряли ни одного листа.

Этим экспериментом Дарвин показал один из механизмов приспособления растений к окружающей среде. Позднее в «Автобиографии» Чарлз Дарвин писал:

В 1880 году я напечатал с помощью Фрэнка наше общее сочинение «Способность к движению у растений». Это была трудная работа. Книга находится приблизительно в том же отношении к моей книжечке «О лазящих растениях», в каком «Перекрестное оплодотворение» находится к «Оплодотворению орхидей»; действительно, согласно с принципом эволюции, невозможно объяснить факт, что ползучие растения развились в таких многочисленных чрезвычайно различных группах, если не окажется, что все вообще растения обладают некоторой слабой способностью движения аналогичного характера. Я доказал, что это именно так; далее я был приведен к довольно широкому обобщению, а именно что крупные и обширные категории движений, возбуждаемых светом, силою тяготения и т. д., все представляют видоизмененные формы основного движения, циркумнутации. Мне всегда нравилось возведение растений на более высокую ступень организованных существ; поэтому я испытал особое удовольствие, показав, какими многочисленными и превосходно приспособленными движениями обладает кончик корешка.

5. Предвестники современной мысли

Более пятидесяти лет назад Альберт Эйнштейн, разработав специальную теорию относительности, показал, что при превращении массы в энергию количество выделяющейся энергии пропорционально квадрату скорости света. Не прошло и тридцати пяти лет, как физики экспериментально подтвердили вывод Эйнштейна, непосредственно измерив энергию, выделяющуюся при расщеплении атома.

В отличие от физики в науке о биологических ритмах еще нет своего Эйнштейна. Первые попытки сколько-нибудь активного объяснения природы этих ритмов были предприняты только в начале тридцатых годов. Научный мир встретил их с еще большим скепсисом, чем в свое время теорию относительности.

Почему же так получилось? Прежде всего, живые организмы, объект исследований биологов, представляют собой значительно более сложные образования, чем изучаемые физиками атомы. А ведь атомы, особенно атомы тяжелых элементов, невероятно сложны. И все же атом намного проще самого маленького из живых организмов. Хотя вирусная частица так мала, что ее можно увидеть лишь с помощью электронного микроскопа, количество составляющих ее атомов очень велико.

Кроме того, не следует забывать, что биологи, работавшие в самых разных областях, занимались разработкой и решением многих частных практических проблем. По мере того как они находили ответы на одни вопросы, перед ними возникали другие. В результате прошло много времени, прежде чем стало очевидным, что в ритмическом поведении самых разных организмов существуют общие закономерности.

Так, энтомологи, бродя по свету в поисках насекомых, с помощью которых можно было бы бороться с сельскохозяйственными вредителями, не обращали особого внимания на то, что насекомые выходят из куколок в определенное время дня и года. Генетики, выводя растения, наиболее приспособленные к определенным местообитаниям, не интересовались продолжительностью дня в этих широтах в разное время года. Ветеринары, узнав первопричину и найдя способы лечения свиной холеры, не знали, что стрессовые воздействия снижают устойчивость свиней к этому заболеванию.

Таким образом, нет ничего удивительного в том, что концепция живых часов была выдвинута лишь после того, как биологи сумели обобщить огромное множество наблюдений и понять, что некоторые, казалось бы, очень разные факты относятся к одному и тому же типу явлений.

Одно из первых строгих исследований ритмической активности в живом организме было осуществлено голландским ботаником Антонией Клейнхоонте в 1929 году.

Хотя Дарвин, изучая «движения сна» у листьев, поставил не одну сотню опытов, методика экспериментов за прошедшие с тех пор пятьдесят лет шагнула далеко вперед, и Клейнхоонте была склонна подвергнуть сомнению достоверность результатов, полученных Дарвином. Да и работа его строилась не по тому плану, который бы позволил получить ответы на вопросы, занимавшие мысли голландской исследовательницы. Большинство своих наблюдений Дарвин проводил в естественных условиях чередования дня и ночи или при незначительных изменениях этих условий. К тому же объектом его экспериментов были растения, принадлежащие более чем к ста пятидесяти видам. И при всем своем желании он просто не имел времени на детальное изучение какого-либо одного из них.

Клейнхоонте понимала, что более глубоко изучить механизм «движений сна» у листьев можно, лишь постоянно и продолжительно наблюдая за поведением какого-нибудь одного вида растений. В качестве объекта для своих экспериментов она выбрала крупное растение, мечевидную канавалию (Canavalia ensiformis), и составила тщательно продуманную программу экспериментов, в которую включила большое число измерений при самых различных условиях.

Основной целью исследований было узнать, являются ли «ритмы сна» у растений врожденными или они вызываются суточным ритмом чередования света и темноты. Что случится с растением, выросшим в нормальных условиях, если ночью, когда листья будут находиться в положении сна, осветить их одиночной вспышкой длительностью всего в одну-две минуты? Что произойдет, если вырастить растение из семени в аномальных условиях, скажем в режиме чередования 6 часов света и 6 часов темноты? А может быть, попробовать режим 8 часов света и 8 часов темноты, или 18 часов света и 18 часов темноты, или 24 часа света и 24 часа темноты? Запомнят ли сеянцы новые ритмы? И если запомнят, то сохранят ли их при постоянной темноте или слабом освещении?

Но для того чтобы получить ответ на любой из этих вопросов, исследовательница нуждалась в приборе, который бы обеспечил точную и непрерывную запись движений листьев в любом режиме чередования света и темноты. Метод, которым пользовался Дарвин, явно не годился, поскольку требовал постоянного визуального наблюдения, а Клейнхоонте не хотела допускать ни малейших нарушений режима, которые могла вызвать даже самая слабая лампа, включаемая на время наблюдений. Поэтому она остановила свой выбор на кимографе, создав исключительно чувствительную модель этого прибора.

К средней жилке первого листа канавалии она прикрепила тонкую нить, которую перекинула через маленький блок. К нити под блоком был подвешен кусочек тоненькой проволоки, согнутый конец которой оставлял след на закопченном барабане, медленно вращавшемся с постоянной скоростью. Первые же испытания показали, что прибор вполне обеспечивает запись движений листьев.

Рис. 18. Кимограф, похожий на тот, которым пользовалась Антония Клейнхоонте для регистрации движений листьев фасоли. 1 — писчик, регистрирующий на непрерывно вращающемся барабане движение листа. Слева — лист в дневном положении, справа — в ночном.

Клейнхоонте сначала записала движение листьев у проростков, растущих в нормальных условиях. Наиболее четкими оказались суточные ритмы сна 17- или 18-дневных растений. Растения этого возраста и были выбраны для проведения экспериментов.

Записав движения листьев сеянца в нормальных условиях, Клейнхоонте в соответствии со своей экспериментальной программой ночью, когда листья уже полностью находились в положении сна, включала всего на одну минуту яркий свет, после чего растение оставлялось в условиях непрерывной темноты. И даже в темноте листья принимали свое обычное дневное положение (как и ожидала Клейнхоонте на основании результатов, полученных предшествующими исследованиями), но теперь растение возобновляло свой ритм с задержкой на двенадцать часов. Так было доказано, что одиночная короткая вспышка света может сдвинуть фазу ритма.

Для следующего эксперимента семена проращивали при непрерывно повторяющемся цикле 8 часов света и 8 часов темноты. После того как проростки достигли 17-дневного возраста, Клейнхоонте присоединила нить кимографа к средней жилке первого листа и приступила к записи.

Растение вело себя так, словно общая продолжительность суток составляла всего 16 часов — с 8-часовым «днем» и 8-часовой «ночью». Тогда Клейнхоонте приступила к следующему этапу экспериментального исследования, оставив это же растение при непрерывном освещении. Теперь оно не имело никаких указаний на время суток — ни тех аномальных, в которых было выращено, ни естественных. Сохранит ли растение шестнадцатичасовой цикл? Или перейдет на какой-то другой? Наблюдая за записью, Клейнхоонте увидела, как постепенно растение перешло от аномального цикла к своему обычному суточному ритму. Несмотря на то что с момента прорастания растение никогда «не видело» настоящих дня и ночи и было вынуждено жить в неестественном цикле, оно все же сохранило способность установить совершенно нормальный ритм.

В своих многочисленных экспериментах Клейнхоонте создавала разные аномальные циклы и, после того как ритм проростков попадал с ними в фазу, оставляла эти растения в одних случаях при непрерывном освещении, в других — при непрерывной темноте. И всегда, как только растения освобождались от принудительного аномального цикла, они возвращались к своему естественному ритму, соответствующему суточному вращению Земли — тому, в котором жили многие поколения этого растения.

Означает ли это, что такой ритм является действительно врожденным? Предполагает ли это, что, если канавалию выращивать в течение многих поколений в лабораторных условиях, без каких-либо ориентиров внешней среды, у нее сохранится природный ритм? Клейнхоонте не спешила с такого рода заключениями Она сделала только один вывод — периодическое движение листьев вызывается «автономными», то есть саморегулирующимися факторами. Но о том, что это за факторы, не было сказано ни одного слова.

И все же Клейнхоонте внесла серьезный вклад в понимание связи эндогенного ритма с чередованием света и темноты. Она сделала большой шаг вперед, который привел к первой современной гипотезе о том, как работают живые часы.

Другой значительный шаг вперед был сделан Ингеборг Белинг, работавшей в Мюнхенском университете в лаборатории выдающегося энтомолога Карла Фриша. Атмосфера в лаборатории, куда в конце двадцатых годов приехала Белинг, была очень хорошо охарактеризована самим Фришем в его недавно опубликованных воспоминаниях.

«Более пятидесяти лет пчелы в нашей лаборатории, а во время каникул — на Вольфгангзее были самыми любимыми подопытными животными. Их способность различать цвета, их обоняние и вкус, связь их чувств с миром цветков, их «язык» и способность ориентироваться — вот та чудесная и загадочная область исследований, которая всегда манила меня. Постепенно мы открывали для себя много нового. Открытий этих становилось все больше, и они настоятельно требовали изучения и объяснений».

Фриш, всю свою жизнь занимавшийся пчелами, разработал специальную конструкцию ульев для наблюдений (так называемый наблюдательный улей), создал кормушки для обучения и методы нумерации пчел пятнышками цветного шеллака. С помощью этого метода он без особого труда узнавал любую из участвующих в опыте пчел, даже если их было несколько сотен.

Высокое качество экспериментального оборудования, смелость и изобретательность в постановке опытов — все это обеспечивало постоянный приток в Мюнхен способных молодых людей, жаждавших работать под руководством знаменитого Фриша. Среди них была и Ингеборг Белинг, которой предстояло наиболее длительное сотрудничество с ним.

Обсуждая с Ингеборг программу ее будущих исследований, Фриш напомнил ей, что у Фореля в Швейцарии пчелы прилетали к утреннему столу на террасу независимо от того, было на нем варенье или нет. Вспомнил он и о сообщении Буттель-Реепена, что пчелы прилетают на поле гречихи только в те часы, когда начинается выделение нектара.

Как мы уже отмечали, и Форель, и Буттель-Реепен были уверены, что пчелы прилетают за пищей только в такое время, когда ожидают найти ее. Буттель-Реепен назвал эту замечательную способность «чувством времени». Но где же источник этого чувства времени? Находится ли он внутри самой пчелы или она ориентируется по каким-то сигналам из внешней среды? И если это так, то какие именно внешние события являются этими ориентирами?

Ингеборг Белинг сразу же поняла, сколь увлекательна проблема, и согласилась немедленно заняться ею. Она была уже достаточно квалифицированным экспериментатором и после непродолжительной тренировки полностью освоила специальные методики Фриша. Со всем энтузиазмом молодости занялась она разработкой своей экспериментальной программы.

Прежде всего необходимо было проследить за поведением пчел в нормальных условиях. Для участия в эксперименте Белинг отобрала пять пчел-сборщиц и каждой из них дала свой порядковый номер (1, 11, 12, 17, 19). Давайте посмотрим, как она метит этих пчел.

Перед ней на лабораторном столе подставка с пятью тонкими кисточками и пятью маленькими чашками Петри с шеллаком, окрашенным в белый, красный, синий, желтый и зеленый цвета. Здесь же находится часовое стекло с сахарным сиропом, на которое сажают отобранных пчел. Белинг погружает первую кисточку в чашечку с белым шеллаком и ставит маленькое пятнышко на середине груди около головки пчелы 1. На пчеле 11 она ставит два белых пятнышка, также близко к ее головке. Пчела 12 получает рядом с белым пятнышком красное, справа от него; пчела 17 — белое пятнышко у головы и желтое под ним и т. д. Все это время пчелы так заняты поглощением искусственного нектара, что не обращают на действия экспериментатора никакого внимания. Шеллак высыхает, и Белинг возвращает пчел в улей.

После этого помеченных пчел надо обучить прилегать к кормушке с сиропом каждый день в течение определенного двухчасового интервала. Методика такого обучения уже была разработана Фришем.

Рано утром, задолго до вылета пчел, Белинг наносила около летка маленькую каплю сахарного сиропа со слабым запахом лавандового масла. Пчелы быстро находили сироп. Так начинался первый этап обучения.

На следующее утро Белинг помещала очередную каплю «нектара» немного подальше. На третье утро для этой цели использовался кормежный столик — деревянная пластинка, укрепленная на заостренном колышке, который можно было втыкать в землю где угодно. Когда она разместила этот кормежный столик с душистым нектаром на расстоянии трех метров от улья, пчелы быстро нашли его: они уже начали заучивать нужное экспериментатору направление полета. Постепенно Белинг относила столик все дальше и дальше от улья, и очень скоро пчелы познакомились с местом, которое было избрано для главной части эксперимента.

Теперь, когда пчелы знали направление полета, следовало приучить их прилетать за едой в определенный двухчасовой интервал, между четырьмя и шестью часами дня. Сироп ставили на столик только в эти часы. Пчелы очень быстро поняли, что прилетать к кормушке в любое другое время бесполезно.

Следующий этап исследований заключался в том, чтобы выяснить, как будут вести себя меченые пчелы, если сироп вообще не будет выставляться. Утром 20 июля 1927 года Ингеборг Белинг поднялась рано. В половине седьмого она уже находилась на своем наблюдательном посту с полевым дневником, карандашом и часами в руках, готовая записывать время появления и номер каждой прилетающей пчелы.

Хотя Белинг и считала, что дежурство с половины седьмого утра до четырех часов дня будет самым долгим и неинтересным, она все-таки не забывала о необходимости быть внимательной и в это время.

Не прошло и часа, как ее ухо уловило слабое гудение летящей в поисках нектара пчелы. Опустившись на столик, пчела приблизилась к пустому часовому стеклышку. На передней части ее груди Белинг увидела две белых точки — пчела 11! Для появления пчел было слишком рано; еще более странным было то, что пчела 11 вновь вернулась между половиной восьмого и восемью часами утра.

Впоследствии, обсуждая с Фришем результаты эксперимента, Белинг спросила, почему, по его мнению, хорошо обученная пчела так ошиблась во времени? На это Фриш ответил, что никогда не следует забывать, что биология не относится к числу точных наук и в поведении животных могут наблюдаться отклонения от нормы. А кроме того, «в мире голодных лучше прибыть к месту кормежки раньше, чем позже».

Вплоть до половины четвертого дня ни одна из пчел более не посетила столика с кормушкой. Между половиной четвертого и четырьмя часами опять прилетела пчела 11, а вслед за ней пчела 19. В следующие полчаса было 6 посещений, а между половиной пятого и пятью — 17. После этого каждые полчаса было сначала 11, потом 4 и наконец 2 посещения. К половине седьмого все закончилось, и, хотя Белинг не покидала своего наблюдательного поста до восьми часов вечера, ни одна пчела больше не прилетела. Уставшая, побрела она в лабораторию, неся драгоценные записи поведения каждой из пчел в течение дня.

Волнение пчел, не обнаруживших еды в привычном для них месте, исследователь Макс Реннер позднее описывал так: «Наблюдая за поведением пчел, ясно видишь, что пчелы не могут «поверить», что стол не накрыт для них, как обычно. Они прилетают снова и снова, ползают вокруг, опускают свои хоботки в чашечку и в который раз убеждаются, что в ней действительно ничего нет. Наиболее предприимчивые в поисках нектара прикладываются ко всем блестящим предметам, например к часам или карандашу, а особенно смелые даже суют свои хоботки в морщинки на изгибе руки наблюдателя».

Длинный утомительный день 20 июля 1927 года не только подтвердил, что обученные пчелы посещают пустые кормушки в назначенное для кормления время. Он, в сущности, означал начало нового, более интенсивного накопления данных. Установив стереотип поведения пчел, Белинг могла экспериментировать с ними в любых необычных условиях, узнавая тем самым, какая информация требуется пчелам, чтобы найти определенное место и в определенное время.

Какие явления в окружающем мире, спрашивал профессор у своей ученицы, могли бы служить для пчел ориентирами во времени? Какие циклические явления вам известны? Белинг перечисляла их. Чередование света и темноты. Изменение положения Солнца на небосводе. Изменение температуры воздуха: теплее днем и прохладнее ночью. Изменение концентрации электрических зарядов в атмосфере, отмеченное десятилетия назад Аррениусом. Изменение интенсивности космических лучей. И наконец, не исключено, что существует какой-то неизвестный фактор, который хотя и не доступен восприятию человека, но может служить временным ориентиром для пчел. В принципе существование такого фактора нетрудно себе представить. Например, широко известно, что собака слышит ультразвуковые сигналы, не воспринимаемые человеком.

Чтобы исключить влияние колебаний освещения, температуры, влажности и электрических зарядов в атмосфере, Ингеборг Белинг воспользовалась специально оборудованным помещением, где она могла поддерживать действие каждого из этих факторов на постоянном уровне. После многочисленных экспериментов она обнаружила, что пчелы и в этих условиях продолжают сохранять ту же регулярность своего поведения, что и на открытом воздухе.

Один из исследователей, работавший вместе с Белинг в Мюнхенском университете (О. Валь), показал также, что изменения интенсивности космических лучей не являются временным ориентиром. Он помещал своих пчел на двести метров под землей, в штольню солевой шахты, и там довольно успешно обучал их.

Но может быть, пчелы вообще не нуждаются в каком-либо внешнем ориентире? А что, если их в течение какого-то времени дрессировать на периодичность, значительно отличающуюся от суточного 24-часового цикла? Сохранит ли их память этот цикл? Белинг попыталась приучить пчел к 19-часовому циклу и потерпела полную неудачу. Так было получено действительно веское доказательство того, что часы пчел регулируются каким-то неизвестным фактором, совпадающим по фазе с 24-часовым ритмом вращения Земли.

Что же это мог быть за фактор?

В 1931 году доктор Хадсон Хогланд — профессор общей физиологии и декан биологического факультета Ворчестерского университета (штат Массачусетс) — начал исследования по физиологии высшей нервной деятельности человека. Он был одним из тех, кто считал, что изучение ритмических процессов имеет большое значение для понимания поведения человека. На него произвел большое впечатление доклад А. Хилла на первом Симпозиуме по количественной биологии в Колд-Спринг-Харборе в 1933 году. В этом докладе Хилл дал описание двух разных видов колебательных процессов, наблюдаемых в природе; причем один из них он использовал в качестве модели для изучения работы нервной ткани.

Рис. 19. Маятниковые часы Галилея, представляющие собой пример инерционного осциллятора. Маятник периодически проходит (то вправо, то влево) положение равновесия (вертикальное). В точке максимального отклонения сила тяжести изменяет направление его движения.

Рис. 20. Греческие водяные часы — пример релаксационного осциллятора. Когда равномерный поток воды из цилиндра слева поднимает уровень воды в правом цилиндре до максимального, вода быстро выливается через сифон, вращая при этом водяное колесо. Поплавок опускается и укрепленная на нем фигурка записывает нисходящую линию на начинающем вращаться от водяного колеса цилиндре.

Приглядываясь к миру предметов и событий, мы обнаруживаем, что колебательные и волновые движения играют важную, а порой доминирующую роль. Поэтому не следует удивляться тому, что волновые процессы характерны и для нашего собственного организма.

Большинство общеизвестных колебаний, с которыми имеет дело физика, являются следствием взаимодействия свойств, аналогичных инерции и упругости. Движущаяся или меняющаяся система, с одной стороны, имеет тенденцию сохранять состояние движения, поскольку обладает массой или индуктивностью. С другой стороны, такие системы, если они продолжают существовать и если энергия их движения не рассеивается, должны обладать свойствами, которые будут стремиться вернуть их назад, как только они перейдут через равновесное состояние. Иначе говоря, на такие системы действует сила, которая увеличивается с удалением от положения равновесия и неизбежно приводит к возвратному движению, после чего колебательный процесс продолжается.

Существует и другой тип колебаний, хорошо известный в повседневной жизни. Суть этих колебаний сводится к разряду, происходящему при достижении предельного потенциала или некой предельной интенсивности. Например, вода, наполняющая бак с сифоном, будет выливаться время от времени, как только бак наполнится до определенного уровня. Или популяция, устойчивая к кори из-за наличия определенного числа иммунных людей, становится с течением времени менее иммунной и наконец подвергается эпидемии кори.

Еще один пример — неоновая лампа, соединенная параллельно с конденсатором и последовательно с сопротивлением и источником электродвижущей силы, будет вспыхивать через регулярные промежутки времени: как только разность потенциалов на конденсаторе достигает критического значения. Именно такой тип колебательной системы (иногда называемый релаксационным осциллятором) и интересует нас[4].

Хогланд, будучи физиологом, естественно сосредоточил свое внимание на осцилляторах релаксационного типа. Считая химический механизм наиболее вероятной основой для субъективного чувства времени, он пытался найти процессы, которые, как и скорости химических реакций, зависели бы от двух факторов — температуры и концентрации веществ, принимающих участие в реакции[5]. Полученные Хогландом экспериментальные данные подтвердили влияние этих факторов на измерение человеком небольших интервалов времени (минуты). Хогланд не только одним из первых предположил, что живые организмы содержат в себе химические часы — «метроном», задающий ритм; он был несомненно первым, кто ясно понял, что изучение биологических часов может оказаться плодотворным в очень широкой области исследований. «Дальнейшее выяснение кинетических механизмов… должно стать желательным объектом для тех, кто изучает поведение живых организмов, как бы ни именовали себя эти исследователи — биохимиками, биофизиками, физиологами, ботаниками, зоологами, психологами или этологами». И мы действительно увидим далее, что исследователи, изучающие биологические ритмы, вынуждены подчас знакомиться со значительно более широким кругом вопросов, чем того требуют их профессиональные интересы.

6. Растения короткого и длинного дня

Нас интересует только способность отсчитывать время, которая находит свое выражение в фотопериодических реакциях.

(Эрвин Бюннинг, 1964)

В зонах умеренного климата смена времен года соответствует изменению климатических условий, часто очень резкому. Зимой в северных широтах столбик ртути опускается иногда до сорока градусов ниже нуля, снежный покров достигает высоты человеческого роста, а сплошная облачность сокращает и без того короткий день. На время зимних холодов растения образуют семена и клубни, насекомые переходят в стадию покоя, а некоторые животные впадают в спячку. Адаптивная значимость такого поведения очевидна. Гораздо менее очевиден тот факт, что организмы готовятся к зиме задолго до ее прихода. Чтобы образовать семена, растениям нужно время.

Как они узнают, что уже скоро зима? Либо измеряют календарное время, либо ощущают приближение зимы по укорачивающимся дням. В последнем случае им нужно уметь определять продолжительность дня. Первое сообщение о такой способности у растений было сделано лишь в 1920 году.

Сотрудники Департамента земледелия США химик В. В. Гарнер и физиолог растений X. А. Аллард в 1918 году поставили перед собой практическую цель — найти улучшенный способ разведения табака сорта Мэрилендский мамонт. Дело в том, что растения этого нового сорта дают очень много листьев (иногда до сотни), притом исключительно высокого качества. Но в штатах Мэриленд и Виргиния Мэрилендский мамонт цветет только поздно осенью (независимо от времени посева), так что наступающие морозы убивают растения еще до того, как на них образуются семена.

Годы интенсивных исследований не сразу привели Гарнера и Алларда к желаемому результату. Ученые создавали одну гипотезу за другой, тщательно проверяли их (а эксперименты с растениями продолжаются, как правило, не один год), но все тщетно.

Этим неудачам не следует удивляться, поскольку в то время уровень научных знаний о цветении и плодоношении растений был еще недостаточным. Гарнер и Аллард так писали в своей статье, опубликованной в Сельскохозяйственном ежегоднике в 1920 году:

Растения тропического происхождения цветут и плодоносят в строго определенное время года. Их поведение настолько постоянно, что в нашем представлении появление их цветков ассоциируется с определенными временами года, как перелеты птиц — с весной и осенью. О середине зимы нам напоминают цветки цикламена, фреезии, яркий цвет пуансеттии, плоды и ягоды ардизии. Весной мы ждем появления цветков форзиции, дикой фиалки, крокуса, иудина дерева, кизила. С приближением лета начинается цветение маков, рододендрона, ириса и водосбора. Осенью цветут декоративный шалфей, астры, космея, георгины и хризантемы.

Возникает мысль, что скрытая причина (или причины) такой приуроченности цветения и плодоношения к определенному времени должна быть чисто внутренней, иначе причуды погоды и другие весьма изменчивые внешние условия могли бы серьезно нарушать этот регулярный цикл. Несомненно и то, что для успешного цветения и плодоношения растений требуются известные пределы температуры, влажности и, конечно, освещения. Так, весеннее похолодание, летняя засуха или избыток осадков могут задержать или ускорить развитие растений, но в общем и цветок, и плод образуются регулярно в положенное время.

Поскольку созревание семян для многих растений представляет собой единственную возможность избежать вымирания, легко сделать вывод, что вся деятельность растительного организма направлена лишь на созревание семян, а предшествующие этому рост и развитие стебля, корня и листьев — явления второстепенные. Однако такая точка зрения неверна. Растение просто наследует способность цвести и плодоносить в ответ на определенные благоприятствующие этому условия окружающей среды.

В свете современных знаний это утверждение было действительно пророческим. Заметьте, что, хотя авторы и колебались в выборе контроля над временем цветения, они безоговорочно признавали совместное действие внутренних процессов и внешних факторов: «Растение просто наследует способность цвести и плодоносить в ответ на определенные благоприятствующие этому условия окружающей среды». Этим они на целое десятилетие предвосхитили одну из наиболее оригинальных и плодотворных идей во всей теории биологических ритмов.

Рассуждая далее о причастности внешних условий к созданию у растений определенного стереотипа поведения, они не исключали также и такой возможный фактор, как географическое местоположение растений. Строгая регулярность в цветении и плодоношении соблюдается растениями лишь до тех пор, пока они выращиваются в определенных областях. Перенос из одной области в другую может сильно изменить их поведение: обильно цветущие и плодоносящие растения делаются бесплодными или сдвигают время своего цветения с весны на осень и наоборот; однолетние растения становятся двухлетними. Эти изменения в поведении интродуцированных растений представляют веское свидетельство того, что именно внешние условия регулируют процессы цветения и плодоношения; кроме того, они предполагают возможность управления этими процессами.

Итак, Гарнер и Аллард занимались определением внешних факторов, задерживающих развитие растений Мэрилендского мамонта. Поскольку первые эксперименты проводились в теплицах, исследователи предположили, что таким фактором может быть воздействие пересадки растений в тепличные условия. «Только через несколько лет мы вдруг обнаружили, что с наступлением весны побеги, которые в норме образуют цветоносы, внезапно переходят на неограниченно долгий вегетативный рост. Тогда нам стало совершенно ясно, что мы имеем дело с влиянием какого-то сезонного фактора».

Что же это мог быть за сезонный фактор? Все в том же сообщении 1920 года Гарнер и Аллард отметили, что в качестве возможного фактора они рассматривали и температуру:

Нас не оставляла мысль, что температура — это и есть тот важнейший сезонный фактор, который влияет на развитие растений. С ним мы связывали весеннее цветение — как реакцию растений на умеренные температуры после холодной зимы. Ему же приписывали и появление цветков в прохладный осенний период. Вероятно, главным образом потому, что никакой другой очевидной причины не было.

Температура, несомненно, очень важный фактор в развитии растений, и по своим требованиям к ней растения сильно различаются. Тем не менее одной температурой нельзя объяснить, почему растения цветут и плодоносят в определенное время. Даже если создается благоприятная для цветения и плодоношения температура, все равно цветки и плоды появляются лишь в положенное время. Так, обыкновенный ирис, цветущий в мае — июне, не зацветает зимой в теплице, даже если его выращивать при температурах, которые преобладают ранним летом. Или: один сорт сои зацветает в июне, другой — в июле, третий — в августе; это происходит даже тогда, когда их сеют одновременно. Поскольку в течение лета не бывает резких перепадов температуры, а одними «внутренними часами» не объяснить эти различия в сроках цветения, должен быть еще какой-то внешний фактор. Вот вам пример своеобразного поведения сорта сои Байлокси. При ранневесеннем посеве на широте Вашингтона растения этого сорта все лето растут, достигая полутора метров, и зацветают только в сентябре. Если их посеять в июне или июле, растения все равно цветут в сентябре, укорачивая период роста. Значит, у сорта Байлокси есть тенденция цвести примерно в одно и то же время года независимо от сроков посева; лишь пропорционально задержкам посева уменьшается размер растений к моменту цветения.

Нетрудно догадаться, что при позднем посеве растение, способное укорачивать период роста, чтобы вовремя зацвести, приобретает явные преимущества. В этом случае вероятность того, что семена успеют созреть до заморозков, повышается и растению удается избежать губительного действия холодов. Важно, однако, различать самоускорение цветения и причину этого явления. Растения сорта Байлокси сокращением периода вегетации, в сущности, опережают наступление холодной погоды; следовательно, причина такого поведения сои не в снижении температуры.

В письме, написанном несколько ранее, Гарнер подчеркивает: «Поскольку растения росли в теплице, температура как указатель времени, по-видимому, должна быть исключена… Оставалось единственное сезонное явление, которое могло оказаться искомым фактором, — это изменение продолжительности дня и ночи. Важность такого предположения заключалась в том, что продолжительность светового дня была отделена от количества солнечного излучения».

Догадка пришла к ним одновременно, вспоминает Аллард. Перебирая факторы, которые могли бы ускорить наступление цветения, они вновь вернулись к условиям, изменяющимся при смене времен года, — к температуре и освещению. Упомянули и о продолжительности дня. Хотя им и казалось, что этот фактор не окажет сколько-нибудь существенного влияния на развитие растений, они решили проверить его. Для этого был выстроен небольшой экспериментальный домик, который хорошо вентилировался и в котором растения содержались в полной темноте. С помощью такого домика можно было создать для растений укороченный, «осенний» день. Весь июль 1918 года ежедневно несколько горшков с Мэрилендским мамонтом 14 часов находились в «темном домике» и на 10 часов выносились на дневной свет. Вскоре эти подопытные растения набрали бутоны, а контрольные, находившиеся в поле все долгие летние дни, так до самой осени и не зацвели.

Рис. 21. Фотопериодический контроль цветения. Вверху — опытные растения Мэрилендского мамонта, находившиеся на свету с 9 часов утра до 4 часов дня ежедневно. Семенные коробочки окончательно сформировались к 15 августа. Внизу — контрольные растения Мэрилендского мамонта, содержавшиеся на открытом воздухе. К 15 августа они не обнаружили никаких признаков цветения.

Столь буднично прост был способ, с помощью которого Гарнер и Аллард открыли у растений способность измерять продолжительность дня и, следовательно, определять время года. Этот ответ организма на относительную продолжительность дня и ночи исследователи назвали фотопериодизмом[6], а продолжительность дня, благоприятную для данного организма, — фотопериодом.

Но первый эксперимент, каким бы обнадеживающим он ни был, служил всего лишь указанием на существование определенной закономерности. Исследователям предстоял еще длинный, полный напряженной работы путь, прежде чем они смогли написать:

В районе Вашингтона продолжительность дня (от восхода до захода солнца) составляет приблизительно 15 часов в конце июня и около 9,5 часа — в конце декабря. Чтобы определить, сказывается ли такое изменение продолжительности дня на сроках цветения и плодоношения растений, была поставлена серия экспериментов. В долгие летние дни растения частично лишались освещения. Полученные результаты оказались удивительными. Период цветения растений больше не был связан с каким-то определенным временем года. Нормальная сезонная периодичность была нарушена.

Эксперименты ставились на самых разных растениях — и диких и культурных. Реакция на изменение продолжительности дня наблюдалась очень часто.

Метод проведения этих экспериментов чрезвычайно прост. «Темный домик» был устроен так, что воздух свободно поступал в него и выходил наружу, но дневной свет при этом не попадал внутрь. Контейнеры с растениями были размещены на тележках, что облегчало ежедневное перемещение подопытных растений в темное помещение на определенную часть дня и обратно. Так, для того чтобы растения получали восьмичасовое дневное освещение, тележку с растениями закатывали в темный домик, скажем, в 16 часов, и выкатывали оттуда в 8 часов утра следующего дня. Для сравнения в каждом эксперименте в точно таких же условиях выращивались контрольные растения, но они находились на свету весь день.

Ответ растений на искусственное укорачивание дня был быстрым и четким. Растения сои сорта Байлокси, проросшие 17 мая, ежедневно, начиная с 20 мая, получали семичасовое освещение и зацвели через 26 дней, тогда как контрольной группе растений для этого потребовалось 110 дней. Этот сорт сои, который обычно цветет в сентябре, даже если посеян в мае, зацвел в июне просто в результате сокращения длительности светового дня. Последующие эксперименты показали, что двенадцатичасовой световой период столь же эффективно ускорял цветение этих растений, как и семичасовой. Теперь нетрудно понять, почему этот сорт цветет в сентябре: именно в сентябре продолжительность дня сокращается до 12 часов.

Одновременно точно такой же эксперимент был проведен с сортом сои Пекин. Растения, получавшие семичасовое освещение, зацвели через 21 день, а находившиеся на свету весь день — через 62 дня. Это полностью соответствовало результатам полевых наблюдений: Пекин зацветает в июле, то есть на два месяца раньше Байлокси. Таким образом, Пекин цветет при более продолжительном дне, чем Байлокси.

Обыкновенная дикая астра, которая обычно цветет в сентябре в условиях укороченного дня, вела себя так же, как и соя Байлокси. При ежедневном семичасовом освещении астра зацвела через 36 дней, против 122 в условиях естественного освещения. Вывезенная из Перу фасоль лима, которая цветет в районе Вашингтона только поздно осенью, при сокращении светового периода до семи часов зацвела через 28 дней. Точно так же вела себя амброзия.

Вряд ли кто-нибудь ожидает увидеть среди лета цветки хризантемы или поздноцветущих сортов георгина, однако эти типичные для осени цветки легко получить сокращением продолжительности светового дня. Нет больше ничего таинственного в том, что среди посевов космеи, сделанных ранней весной, но с некоторым разрывом во времени, обнаруживаются такие, которые переносят свое цветение с весны на осень, когда продолжительность светового дня уменьшается примерно до 12 часов. По той же причине космея не цветет поздней весной, когда дни становятся длиннее 12 часов.

Существует группа растений, включающая большинство так называемых однолетников, которые регулярно цветут во второй половине лета, реагируя на сокращение продолжительности светового дня. Длинные дни способствуют более быстрому и интенсивному вегетативному росту этих растений, тогда как относительно короткие дни — их цветению и плодоношению. Некоторые из них в условиях естественного освещения долгих летних дней достигают гигантских размеров, прежде чем приступают к цветению. Поэтому слишком ранние посевы приводят к избыточному развитию листвы и стебля и слабому цветению и плодоношению. Поздние же посевы, наоборот, могут привести к карликовому росту при обильном цветении и плодоношении. Отсюда нетрудно понять, почему перенесение некоторых растений в более северные широты, где летний день длиннее, вызывает буйный рост и склонность к бесплодию. Растения этой группы по-разному реагируют на сокращение продолжительности летнего дня. Цветение одних можно вызвать в июле, других — задержать до ноября. Даже наиболее поздние из них легко заставить цвести и плодоносить в самый жаркий период лета простым укорачиванием дня. Так что нет причины считать наступление осенней прохлады важным фактором, влияющим на развитие растений.

Полную противоположность уже описанной группе составляют растения, регулярно цветущие поздней весной и в начале лета. Совершенно очевидно, что для достижения стадии цветения они не требуют коротких дней. Наоборот, было обнаружено, что короткие дни препятствуют или по крайней мере значительно задерживают их цветение и плодоношение. К этой группе растений относятся так называемые зимние однолетники, а также наши обычные овощи. Довольно интересные результаты были получены на типичном для этой группы редисе.

Обычные сорта редиса, посеянные весной, сначала образуют утолщенный съедобный корень, а несколько позже — стебель, на котором образуются цветки и созревают семена. Так, сорт Скарлет Глоб, посеянный 15 мая и растущий в условиях естественной продолжительности дня, начал цвести 21 июня. Тот же сорт, посеянный в то же время, но получавший ежедневно семичасовое освещение, рос медленно и не зацвел. В условиях укороченного светового дня увеличивались корни редиса и разрастались его листовые розетки. Перенесенный осенью в теплицу этот редис продолжал медленно расти и в течение всей зимы. Лишь ранней весной с прибавлением дня растение выбросило цветущий стебель и, образовав семена, погибло. Так типичный однолетник вынужден был вести себя как двулетник. Следовательно, сокращение продолжительности дневного освещения может не только приблизить время наступления цветения, но и затянуть его на тот или иной срок.

Поведение редиса — не исключение. Отсутствие цветоносов в течение коротких зимних дней и ранней весной очень характерно для многих морозостойких растений, которые сохраняют в это время года более или менее выраженную вегетативную активность. При этом наблюдается тенденция к росту стелющегося стебля с отростками у его основания или розеточная форма образования листьев. С наступлением весны характер роста меняется — растения, готовясь к цветению и плодоношению, выбрасывают прямостоячие стебли.

К этой группе растений принадлежат и наши кормовые травы. Среди них особенно характерно поведение лугового клевера… При ежедневном десятичасовом освещении у подопытных растений появлялся стелющийся нецветущий стебель, который сохранялся еще долгое время после того, как контрольная группа растений выбросила прямостоячие стебли, зацвела и образовала семена. Аналогичным образом обыкновенный ослинник, перенесенный с поля ранней весной и получавший после этого всего по 10 часов света в сутки, сохранял вегетативный тип развития еще несколько недель, в то время как растения, находившиеся на свету весь день, быстро образовали высокие прямые цветоносы.

Рис. 22. Внешний вид фитотрона в Канберре (Австралия).

Рис. 23. Фитотрон, работающий по принципу теплового насоса. Отдельные секции позволяют создавать режимы разной продолжительности дня и различных температур.

В летние месяцы вырастить шпинат для столовых целей не удается: он быстро идет в стрелку и не образует желаемой розетки крупных листьев. Обычно это приписывалось действию высоких температур. Действительно, повышение температуры в некоторых приемлемых пределах, как правило, ускоряет развитие растений. Тем не менее опыты показали, что шпинат и летом может дать исключительно хорошую розетку листьев, если период дневного освещения сократить до 8—10 часов.

Приведенные выше примеры иллюстрируют тот факт, что существует большая группа растений, которые переходят в стадию цветения и плодоношения лишь с увеличением продолжительности дня, по мере того как весна переходит в лето. Об этих растениях можно говорить как о «растениях длинного дня» по сравнению с «растениями короткого дня», которых вынуждает цвести и плодоносить сокращение продолжительности дня, наступающее осенью. Резкой границы между этими двумя группами не существует, хотя и есть растения, которые не могут перейти к цветению и плодоношению без очень длинного либо очень короткого светового периода. Существуют и такие растения, которые по своему отношению к продолжительности дня занимают промежуточное положение.

Чтобы выяснить эффективность освещения, была построена теплица, в которой равномерно распределялись 40-ваттные электрические лампы, что создавало среднюю освещенность в 35–60 люксов. Свет оставался включенным ежедневно от заката солнца до полуночи. Такая интенсивность освещения очень незначительна по сравнению с естественной, достигающей в ясные зимние дни 5000 люксов, а иногда и больше. И все же были получены поразительные результаты. Для сравнения в аналогичных условиях, но без искусственного освещения содержали другую группу таких же растений.

Предполагалось, что в контрольной теплице растения длинного дня сохранят чисто вегетативный рост, а в теплице с искусственным освещением— ускорят развитие и зацветут. Растения же короткого дня, наоборот, должны были бы в контрольном помещении зацвести, а в освещаемой теплице продолжать вегетировать.

В контрольной теплице цветение космеи наступило между 50 и 60 днями с момента прорастания. В освещаемой теплице растения бурно росли, сильно превышая обычные размеры и не обнаруживая никаких признаков цветения. В июле растения вынесли из теплицы, и с этого момента они получали только естественное освещение длинных солнечных дней. Они продолжали активно расти и зацвели лишь в октябре, когда естественное сокращение продолжительности дня вынудило их перейти к цветению.

Этих примеров вполне достаточно, чтобы показать, что искусственное освещение малой интенсивности, используемое для удлинения светового периода в короткие зимние дни, препятствует зацветанию растений короткого дня и столь же эффективно содействует переходу растений длинного дня к цветению и плодоношению. Итак, сравнительно слабое искусственное освещение, используемое в течение зимы как дополнение к дневному свету короткой продолжительности, оказывает то же самое действие, что и дневное освещение летом.

В заключение Гарнер и Аллард обсудили возможные направления дальнейших исследований:

Правильное объяснение влияния продолжительности дня на развитие растений поможет лучшему пониманию причин ограниченного местообитания большинства растений — проблемы очень трудной и сложной. Чтобы получить максимальный урожай, необходимо точно знать время проведения каждого посева. При некоторых условиях разница менее чем в 10 дней направит развитие растений либо в сторону нарастания зеленой массы, либо в сторону образования репродуктивных органов.

Селекционерам, работающим с растениями, открытие такого важного фактора, как относительная продолжительность дня и ночи, поможет обеспечить конкретные районы ранними или поздними сортами, более урожайными или более высокорослыми формами, улучшенными сортами постоянно цветущих или постоянно плодоносящих видов. Это открытие более четко определяет проблему расширения зон посева зерновых. Кроме того, искусственное регулирование длительности освещения позволяет работать более или менее независимо от естественных условий продолжительности дня. Часто бывает невозможным проведение скрещивания растений из-за разницы в сроках цветения родительских форм. В таких случаях управление длительностью светового периода, а следовательно, и сроками цветения может оказать неоценимую помощь. Биолог, занимающийся внедрением новых форм растений, будет иметь в своем распоряжении более надежную основу для изучения факторов, от которых зависит возможность приспособления данного растения к условиям нового района.

Это открытие позволит, по-видимому, заставить цвести и плодоносить почти любое растение в любое время года и в любом месте. Сокращением светового периода с помощью темных камер и удлинением его с помощью искусственного освещения можно будет по желанию вызывать у растений репродуктивную активность.

Какая же из проблем была выбрана Гарнером и Аллардом в качестве первоочередной? Удалось ли им получить семена от табака сорта Мэрилендский мамонт и как?

Их предложение было простым: «Проблему обеспечения семенами легко разрешить, выращивая Мэрилендский мамонт в южной Флориде зимой, поскольку в этих условиях он цветет и плодоносит, ничем не отличаясь от всех прочих сортов…»

Так Гарнер и Аллард, решив непосредственный практический вопрос, дали миру новый метод, который позволил работникам сельского хозяйства, цветоводам, садоводам и селекционерам регулировать развитие растений. Но только через десять лет было понято истинное значение открытия фотопериодизма для биологии в целом.

7. Словарь недремлющих

История науки изобилует противоречивыми высказываниями, спорами, подчас резкими столкновениями как между отдельными учеными, так и между различными научными школами. Нередко причина таких споров кроется в простом непонимании друг друга из-за отсутствия единой терминологии.

Именно этим в течение многих лет страдал обмен мнениями по поводу биологических ритмов. Только в 1964 г. Ю. Ашофф, К. Клоттер и Р. Вевер предложили единую терминологию. Профессор Б. Суини, известный авторитет в области ритмов растений, проиллюстрировала список предложенных терминов примерами. Попытаемся разобрать основные термины и их определения.

Прежде всего нам необходимо определить понятие «биологический ритм». Биологическим ритмом называют равномерное чередование во времени каких-либо состояний организма, биологических процессов или явлений (например, определенных положений листьев или уровней фотосинтеза). Ритмическим может быть и процесс образования спор. Важно, чтобы была четко выраженная повторяемость явления. Но не всякий повторяющийся процесс может быть назван биологическим ритмом; биологический ритм — это всегда самоподдерживающийся, или автономный, процесс.

Попробуем разобраться в этом на следующем примере. По-видимому, каждый из нас не раз наблюдал, как листья на деревьях складываются на ночь, а утром развертываются. Повторяемость налицо, но является ли этот процесс биологическим ритмом? Этого мы сказать не можем, поскольку подобное поведение листьев может быть вызвано просто разницей в условиях дня и ночи. Они, например, могут открываться на свету и складываться в темноте. Если это так, то изменение положения листьев является не биологическим ритмом, а реакцией на свет; ритмический характер этого процесса не является самоподдерживающимся и должен исчезнуть сразу же, как только исчезнут изменения в окружающей среде.

Для выявления истинного ритма необходимо провести эксперимент, который бы показал, что данный процесс самоподдерживается, по крайней мере некоторое время, при постоянных условиях освещения и температуры. Уровень освещения в темном помещении у де Мэ-рана был постоянным; можно полагать, что и температура была постоянной. При этих условиях листья чувствительного растения продолжали подниматься на рассвете и опускаться в сумерках. Ритм самоподдерживался.

До того как мы приступим к обсуждению терминов, используемых при описании ритмических явлений, давайте разберемся в одном хорошо знакомом всем нам повторяющемся процессе — движении колеса по земле. Наблюдая вращение колеса сбоку, можно заметить, что находящаяся на его ободе точка описывает зубчатую кривую, или циклоиду (рис. 24,а). Если же построить график расстояния той же точки от дороги в зависимости от времени, то он будет иметь вид синусоиды (рис. 24,б).

Эти кривые называют «периодическими». Они, как мы уже видели, отражают качение колеса. Такой многократно повторяющийся колебательный процесс называется «осцилляцией». Осцилляционный характер биологических ритмов позволяет использовать те же термины, которые применяются для описания колебаний в физике[7].

Рис. 24. Циклы катящегося колеса.

Время, необходимое для того, чтобы колебательная система совершила полный цикл и вернулась в исходное положение, называется «периодом колебаний». В движении колеса это время одного оборота. При ритмическом движении листьев, максимально расправляющихся в полдень, период представляет собой время от одного полудня до другого, или 24 часа. Отметим, что величина периода остается той же независимо от точки начала отсчета.

Как и в механических колебательных системах, «частота» ритмов (число циклов, совершающихся в единицу времени) может точно определяться частотой периодических процессов, протекающих во внешней среде, например чередования света и темноты. В этом случае говорят, что ритм «затянут» внешними «временными ориентирами», получившими название «указателей времени». Когда же внешних временных ориентиров нет, ритм обнаруживает свой естественный период. Такой не затянутый внешними временными ориентирами ритм называют «свободнотекущим»[8]. Естественный период сво-боднотекущего ритма чувствительных растений Декандоля (при непрерывном тусклом освещении) оказался равным 22 часам.

Рис. 25. График движения листьев в виде прямоугольной волны.

При некоторых особых условиях период затянутого ритма может стать кратным внешнему временному ориентиру. Такое явление получило название «демультипликация частоты». Например, если растение в течение длительного времени подвергается действию аномального цикла (6 часов света и 6 часов темноты), то оно отвечает так, как будто находилось в условиях чередования 12 часов света и 12 часов темноты.

Рис. 26. Фазовая кривая ритмов Gonyaulax. Однократное трехчасовое освещение сдвигает фазы ритмов люминесценции и клеточного деления.

При описании ритмического процесса необходим термин «амплитуда», обозначающий размах колебаний, и термин «фаза», указывающий на положение колеблющейся системы в данный момент времени. Термином «фаза» пользуются, описывая связь одного ритма с каким-либо другим ритмом, например внешним временным ориентиром. Если максимумы ритмов не совпадают, говорят, что ритмы расходятся по фазе. Фаза ритма может сдвигаться; это проявляется в изменении времени суток, которому соответствует максимальная амплитуда.

Поскольку колебания представляют собой периодический процесс (аналогичный процессу вращения колеса), фазы обозначаются в градусах. Так, один какой-нибудь ритм может по фазе отличаться от другого на 90°. Если максимуму одного колебательного процесса соответствует минимум другого, то между ними существует разность по фазе на 180°. Иногда для окончательного установления новой фазы требуется не один цикл, а несколько. В это время период колебаний рассматриваемой системы будет нестабильным, возможно, даже будет меняться с каждым циклом.

Появление нового максимума раньше старого рассматривают, как сдвиг фазы в положительном направлении, а задержку в появлении максимума — как сдвиг фазы в отрицательном направлении. Кривая, отражающая сдвиг фазы при кратком одиночном воздействии, называется «фазовой кривой». Фазовая кривая ритма люминесценции для одноклеточной водоросли Gonyaulax polyedra показана на рис. 26.

Биологические колебательные системы классифицируются по-разному. Истинными биологическими ритмами, как уже отмечалось, являются только самоподдерживающиеся колебания, то есть те колебания, которые обнаруживаются при отсутствии каких-либо периодических процессов в окружающей среде, например изменения температуры или света. Такие ритмы называются «эндогенными», так как они явно возникают по причинам, скрытым внутри организма. Ашофф, Клоттер и Вевер называют их «активными системами», поскольку они усваивают необходимую для поддержания их колебаний энергию из некоторых постоянных источников. В отличие от них «пассивные системы» обнаруживают ритмический характер лишь благодаря своей способности реагировать на периодические процессы, происходящие в окружающей среде, и не могут извлекать необходимую для их поддержания энергию из какого-либо постоянного источника. Такие ритмы называют «экзогенными», поскольку их происхождение не связано с самим организмом. Примером экзогенных ритмов может служить процесс фотосинтеза, начинающийся на рассвете и останавливающийся с наступлением ночи. Истинные, эндогенные ритмы не всегда легко отличить от экзогенных. Многие истинные ритмы в постоянных условиях постепенно «затухают», кроме того, вполне возможно, что организм реагирует на какой-либо периодически меняющийся фактор, о существовании которого экспериментаторы могут и не знать.

Биологические ритмы по длительности своего периода делятся на «суточные», «циркадные», или «околосуточные», с периодом около 24 часов, «приливные», когда период приближается к 12,8 часа; «лунные» с продолжительностью периода в 28 дней; «полулунные» с периодом в 14–15 дней и «годичные», если период равен году[9].

При описании экспериментов по изучению биологических ритмов чаще всего приходится пользоваться терминами, которые определяют условия освещенности подопытных объектов. Чередование света и темноты обозначают начальными буквами слов (С и Т) и цифрами, показывающими продолжительность света и темноты в часах. Так, например, эксперимент, в котором за 12 часами света следует 12 часов темноты, записывают следующим образом: СТ 12: 12. Если за периодом света продолжительностью в 16 часов следует период темноты продолжительностью в 8 часов, пишут СТ 16: 8. Сумма часов при этом совсем не обязательно составляет 24, например СТ 8: 8. После цифр, обозначающих часы света и темноты, в скобках можно дать интенсивность света в люксах, например СТ 24:24 (5000). Исходя из этого запись СС (100) означает непрерывное освещение интенсивностью в 100 люксов, а ТТ — непрерывную темноту.

Таковы основные термины, которые нам потребуются при описании биологических ритмов.

8. Гипотеза Бюннинга

Летом 1928 года Эрвин Бюннинг был приглашен к директору Института физических основ медицины во Франкфурте-на-Майне. Бюннинг в это время заканчивал учебу в Геттингенском университете, специализируясь по ботанике; он увлекался исследованиями раздражимости у растений и был немало озадачен, когда ему предложили подумать о возможном назначении в медицинский институт. Директор института профессор Дезауэр представил ему другого молодого ботаника, Курта Штерна, и объяснил, почему хочет предложить открывшиеся вакансии не врачам, а ботаникам.

Великий шведский химик Сванте Аррениус, сказал Дезауэр, опубликовал около тридцати лет назад статью, в которой сообщал о существовании связи между космическими факторами окружающей среды и заболеваниями человека. Он считал, в частности, что бронхит и эпилепсия связаны с изменениями атмосферного электричества, или, как сформулировал Дезауэр, с изменениями содержания ионов в атмосфере. Если это действительно так, то можно попытаться найти способы облегчить течение этих заболеваний.

Поскольку, однако, человеческий организм физиологически слишком сложен, начать эти исследования надо с какого-нибудь простого организма. Например, с растения, но такого, которое реагировало бы на изменение содержания ионов в воздухе. Вот почему он и приглашает к себе в институт двух молодых ботаников-экспериментаторов.

Эрвин Бюннинг, горевший желанием продолжать изучение раздражимости у растений, не сразу откликнулся на это предложение. Но, поразмыслив, решил, что если растения действительно реагируют на электрические заряды (что можно рассматривать как проявление раздражимости), то это само по себе обеспечивало бы новый, перспективный подход к проблеме раздражимости у растений в целом. И он принял предложение Дезауэра. Согласился и Курт Штерн. Осенью 1928 года оба ботаника с головой погрузились в исследовательскую работу.

Прежде всего им пришлось просмотреть большое количество научных статей, чтобы выбрать наиболее подходящее для своих экспериментов растение и найти методы, с помощью которых можно было бы обнаружить реакцию растений на ионы, содержащиеся в воздухе.

Вскоре им попалась работа Р. Штёппель, излагающая результаты экспериментов, проведенных ею в Гамбурге несколькими годами раньше. Она перепроверяла данные Пфеффера, изучавшего ритмы у растений календулы, и ей удалось показать, что листья изо дня в день в определенное время суток занимают одно и то же положение.

Исключительная точность движений листьев календулы привела ее к заключению, что ритм этот не может быть свойствен самому растению, поскольку в таком случае между отдельными растениями наблюдались бы индивидуальные различия, или сдвиги по фазе. Поэтому Штёппель пришла в выводу, что ответственным за столь точную реакцию растений на время должен быть некий фактор X.

Это было именно то, что искали Бюннинг и Штерн, — растение, движение листьев которого можно было точно измерить и которое реагировало, как полагала Штёппель, на некий, пока неизвестный фактор окружающей среды. А что, если этим фактором и была концентрация ионов в атмосфере, о которой писал Аррениус?

Возможность новых открытий взбудоражила всю лабораторию: срочно собиралась необходимая для исследований аппаратура, проращивались семена фасоли, которой предстояло заменить календулу.

Рис. 27. Один из первых приборов Бюннинга для записи суточных движений листьев фасоли.

Когда сеянцы подросли, молодые экспериментаторы прикрепили один конец тонкой нити к пластинке листа фасоли, другой ее конец — к рычажку, соединенному с пером, касавшимся вращающегося барабана, — приспособление, аналогичное кимографам, которыми пользовались их предшественники. В отличие от Штёппель они поместили одиночное растение в светонепроницаемый ящик: нить проходила через шлюз, и растение внутри ящика оказывалось полностью изолированным от внешнего света.

Чтобы собственными глазами убедиться в существовании ритма в движении листьев и проверить работу аппаратуры, экспериментаторы повторили опыты Штёппель. Все оказалось в полном порядке, и они сразу же начали серию экспериментов при изменении концентрации ионов в воздухе, находящемся в светонепроницаемом ящике. Наблюдая за отметками пера, регистрирующего движение листа на вращающемся барабане, Бюннинг и Штерн приходили все в большее недоумение: изменение концентрации ионов в воздухе не оказывало на сеянцы фасоли никакого влияния. Экспериментаторы ставили опыт за опытом. Они увеличивали содержание ионов в воздухе до концентраций, никогда не встречающихся в природе. Но ритмы движения листьев оставались неизменными; электрические заряды в атмосфере, по-видимому, не могли быть искомым фактором X.

Продолжая непрерывно изо дня в день наблюдать за растениями, Бюннинг и Штерн неожиданно обнаружили, что ритм движения листьев фасоли медленно отклоняется от суточного ритма! У одного растения, постоянно содержавшегося в темноте, ритм постепенно сдвигался к 22-часовому периоду. Другое растение сначала вообще потеряло «чувство времени», затем остановилось на 27-часовом периоде. Но ведь у Штёппель растения всегда точно соблюдали 24-часовой ритм! Может быть, все-таки существует таинственный фактор X, действие которого сказывалось в Гамбурге, но не проявляется во Франкфурте?

Тщательно, шаг за шагом проследили молодые ботаники описание методики экспериментов Штёппель, выискивая мельчайшие отклонения от нее в своих действиях, обращая внимание даже на, казалось бы, несущественные детали.

Штёппель содержала растения в темной комнате, куда она ежедневно в определенное время заходила, чтобы полить их. У них же растения находились в светонепроницаемом ящике, который при поливе не открывался.

Могло ли это явно незначительное различие в методике быть тем, что они искали? Как вообще Штёппель поливала растения в полной темноте? В статье она написала, что включала очень слабый красный свет, когда входила в темную комнату. Смешно было даже предполагать, что кратковременное освещение слабым красным светом может как-то повлиять на движение листьев. Считалось, что красный свет не оказывает на растения никакого действия. И тем не менее это было то единственное, что отличало их опыты от опытов Штёппель.

Ученые не могли пренебречь даже такой мелочью и решили проверить свои эксперименты еще раз. Они провели в темный ящик красный свет и ежедневно включали его в одно и то же время. Растения откликнулись немедленно: включение красного света задало им точный суточный ритм. Вот он таинственный, неуловимый фактор X! Всего лишь красный свет, который включала Штёппель, когда входила поливать растения!

Итак, ритмы растений, выращиваемых в строго постоянных условиях, действительно расходятся по фазе с суточным ритмом Земли. Кроме того, каждое растение имеет свой собственный ритм. А если ритмы растений, находящихся в одних и тех же постоянных условиях, отличаются как друг от друга, так и от суточного ритма Земли, тогда никакого таинственного фактора X просто нет. Ритмы эндогенны, то есть внутренне обусловленны по своей природе.

Эрвин Бюннинг продолжил свою работу по исследованию ритмов у растений в Иенском университете. Исследуя поведение многоцветковой фасоли, он сделал два важных открытия.

Первое из этих открытий заключалось в том, что растения, содержавшиеся с момента прорастания семени в постоянных условиях (непрерывного освещения или непрерывной темноты), полностью утрачивали суточный ритм. Но стоило такому растению получить единичное раздражение в виде световой вспышки, оно немедленно отвечало появлением правильного суточного ритма, который сохранялся довольно длительное время, несмотря на то, что растение продолжали содержать в темноте.

Смысл второго открытия сводился к тому, что в нормальных условиях в разное время суток растение по-разному реагирует на свет и темноту. Эти различия вызваны двумя качественно отличающимися стадиями эндогенного ритма, которые сменяют друг друга примерно каждые двенадцать часов. Иначе говоря, если в течение одного двенадцатичасового периода растение способно отвечать только на воздействие света, то в течение следующего двенадцатичасового периода оно будет реагировать только на темноту.

Когда-то Клейнхоонте не смогла проследить за поведением мечевидной канавалии в течение нескольких последовательных поколений. Это и понятно: чтобы получить следующее поколение такого растения и перейти к наблюдению за ним, требуется довольно длительный промежуток времени. Но существует организм, который обладает целым рядом преимуществ, делающих его ценным объектом для лабораторных экспериментов. Это плодовая мушка Drosophila. Она легко размножается на дрожжевой среде, дает многочисленное потомство, что позволяет получать статистически вполне достоверные результаты. И кроме того, цикл ее развития при обычной комнатной температуре составляет всего одиннадцать дней.

Помимо этих преимуществ у плодовой мушки есть еще одна особенность, которая делала ее идеальным объектом для экспериментов, задуманных Бюннингом: ей свойственно точное время выхода взрослой особи из куколки. При содержании в нормальных условиях взрослая мушка выходит из куколки всегда в одно и то же время, незадолго до рассвета. Затем зрелые особи спариваются, самки откладывают яйца, которые претерпевают обычные для насекомых превращения, и через одиннадцать дней точно перед рассветом из них появляется новое поколение взрослых мушек.

Бюннинг вырастил несколько поколений дрозофил в нормальных условиях чередования света и темноты при постоянной температуре. Затем он поместил этих мушек в условия непрерывного освещения при той же постоянной температуре. Первое поколение дрозофил появилось из куколок, как он и ожидал, точно с рассветом.

На протяжении скольких поколений будет прослеживаться эта закономерность? Почти шесть месяцев дрозофилы были лишены возможности определить, когда день сменяется ночью; все это время Бюннинг вел свои предрассветные наблюдения. Шестнадцатое поколение дрозофил появилось на свет столь же пунктуально, как и первое!

Имея в руках множество примеров ритмического поведения растений и животных, Бюннинг не мог остановиться ни на одном из них, как на характерном для какого-то более общего явления. Короче говоря, у Бюннинга пока не было гипотезы, которая могла бы связать все эти наблюдения воедино.

В те годы основной интерес ученых был направлен на изучение протекающих в живых системах биохимических реакций. Казалось вполне естественным в качестве механизма, которым пользуются растения для измерения продолжительности суток, рассматривать одну из обратимых биохимических реакций, например переход какого-либо пигмента из одной формы в другую. (По аналогии такой переход уподобляли пересыпанию песка в песочных часах.) Были даже известны две формы растительного пигмента фитохрома, содержание которых легко определялось и непосредственно в живых растениях.

Концепция песочных часов была для того времени вполне своевременной, поскольку это представление опиралось на биохимический процесс, за ходом которого можно было следить с помощью современных измерительных приборов. Она приобрела много сторонников, ее поддерживали признанные авторитеты.

Поэтому Бюннингу потребовалась изрядная доля мужества, чтобы в этой ситуации выдвинуть новую концепцию, резко противоречащую уже существовавшей.

Вот тот ряд экспериментальных данных, которые Бюннинг положил в основу своей гипотезы:

Растения определяют время года, измеряя продолжительность дневного периода суток (Гарнер и Аллард).

Ритмы растений очень точны; растения обнаруживают эти ритмы и при отсутствии временных ориентиров; хотя растения можно заставить следовать аномальным циклам чередования света и темноты, они возвращаются к нормальному циркадному ритму, как только снимается действие аномального стимула (Клейнхоонте).

Пчел можно приучить прилетать за кормом в определенное время дня, и они продолжают это делать, даже когда освещение, температура, влажность и концентрация электрических зарядов в атмосфере постоянны; пчел не удается приучить к девятнадцатичасовому циклу (Белинг). На время прилетов пчел не влияет и изменение интенсивности космических лучей (Валь).

Изменения концентрации заряженных ионов в атмосфере не влияют на суточные движения листьев, и в то же время листья точно следуют ритму, задаваемому включением красного света (Бюннинг и Штерн).

Фаза ритма движения листьев может быть сдвинута единичной световой вспышкой во время темнового периода (Бюннинг).

Четко связанный со временем суток выход дрозофил из куколок сохраняется на протяжении пятнадцати поколений мушек, содержавшихся в постоянных условиях (Бюннинг).

Исходя из этих результатов, Бюннинг сформулировал два постулата:

1. У растений существует эндогенный ритм некоторой жизненно важной функции, которая связана с началом цветения.

2. Растения используют этот ритм для измерения времени.

Сопоставив эти постулаты с результатами экспериментальных наблюдений, Бюннинг пришел к следующей гипотезе.

Рис. 28. Эрвин Бюннинг в одной из теплиц Тюбингенского университета,

За фотопериодизм цветения ответствен тот же самый временной механизм, который определяет временную последовательность движения листьев. Этот временной механизм имеет две противоположные фазы примерно двенадцатичасовой продолжительности каждая, «светолюбивую» и «темнолюбивую». Светолюбивая фаза — это фаза дневная, а темнолюбивая — ночная. Следовательно, свет, падающий на растение в течение светолюбивой фазы, будет стимулировать цветение, тогда как действие света во время темнолюбивой фазы будет его тормозить.

Обратите внимание на то, что гипотеза сама по себе не связывает эти две фазы временного механизма с поведением пчел или плодовых мушек, но уверенность Бюннинга в эндогенном характере таких временных механизмов позволила ему непосредственно связать ее и с этими наблюдениями.

Сегодня, тридцать пять лет спустя, гипотеза Бюннинга все еще не получила полного признания. Одни биологи продолжают не доверять ей. Другие приняли ее, но с некоторыми оговорками. Третьи нашли в ней новые экспериментальные подходы, заслуживающие того, чтобы обратить на них внимание. Карл Хамнер, например, сказал: «Я считаю, что моя работа, как и работа моих учеников, весьма убедительно доказывает участие эндогенных ритмов в фотопериодических реакциях организмов. Очень может быть, что наши данные подтверждают гипотезу Бюннинга»[10].

Рис. 29. Суточные ритмы цветков Kalanchoe при постоянных условиях. Цветки открываются в дневное время (вверху) и закрываются на ночь (внизу).

Но, разделившись в своем отношении к самой гипотезе, биологи все-таки полностью (за небольшим исключением) согласились с теми двумя постулатами, от которых, как мы отметили ранее, отталкивался Бюннинг.

Эти два момента настолько важны, что их стоит повторить. Во-первых, растениям (вероятно, и животным) свойственны эндогенные циркадные ритмы, то есть ритмы, которые многократно повторяются с примерно 24-часовой периодичностью. Кроме того, что наиболее важно, эти ритмы самоподдерживающиеся: организмы способны извлекать энергию из некоторого постоянного источника и использовать ее для поддержания необходимых для их существования чередующихся циклов, которые проявляются в форме ритмической активности.

Во-вторых, организмы используют такие эндогенные ритмы для измерения времени.

Вот эти-то представления и произвели сенсацию в научном мире. Сама мысль, что растение обладает часами, была слишком уж фантастической! Настолько фантастической, что потребовалось еще целых пятнадцать лет, прежде чем накопилось достаточно данных, свидетельствующих в пользу того, что птицы и пчелы ориентируются по солнцу и звездам. А такая ориентация возможна только в том случае, если у животных есть внутренние часы. Когда все это было доказано, резко возрос интерес к биологическим часам и были предприняты новые исследования самых разных организмов — от одноклеточных растений до человека.

9. Ориентация птиц по солнцу

В истории науки нередки случаи, когда исследователь, стремясь к одному результату, получал другой, иногда гораздо более важный. Однако бывает и так, что ученый находит блестящее решение именно той задачи, которую ставил перед собой, и при этом обнаруживает, что причины исследуемого явления значительно глубже, чем он предполагал.

Именно таким образом сделал свое открытие Крамер, после чего многие биологи в различных исследовательских центрах забросили свою текущую работу, чтобы присоединиться к тем, кто бился над разрешением загадки живых часов.

Густав Крамер родился в Мангейме в 1910 году и получил биологическое образование в университетах Фрейбурга и Берлина. Его первая научная работа в области физиологии низших позвоночных оказалась настолько многообещающей, что в возрасте двадцати семи лет он был назначен руководителем отдела физиологии Неаполитанской зоологической станции.

Свои всемирно известные исследования по ориентации птиц в полете он начал в Гейдельбергском университете и продолжил в Институте биологии моря им. Макса Планка в Вильгельмсхафене, расположенном на западном побережье холодного Северного моря. Наблюдая за стремительными перелетами морских птиц к местам гнездовий, Крамер размышлял над вековой загадкой перелетов, над той изумительной точностью, с которой перелетные птицы находят путь к далекой цели.

Рис. 30. Исключительный по своей дальности маршрут перелета полярной крачки.

Он дивился геройству полярной крачки, этого необыкновенного летуна, что гнездится в полутора сотнях километров от Северного полюса, а с наступлением осени пролетает над Канадой, затем над безжизненными пространствами Атлантического океана к западным берегам Африки и, обогнув мыс Доброй Надежды, остается зимовать южнее Порт-Элизабета.

Но полярная крачка не единственный пример совершенства в навигационном искусстве. Новозеландская бронзовая кукушка покрывает расстояние в две тысячи километров, летя через Тасманово море к Австралии, а оттуда еще полторы тысячи километров на север через Коралловое море к крошечным участкам своих зимовок на архипелаге Бисмарка и Соломоновых островах. Еще более удивительно, что молодая кукушка, совершая такой перелет впервые, может проделать его в одиночестве, опередив своих родителей по меньшей мере на месяц.

Окольцованная белоголовая зонотрихия возвращается из года в год на один и тот же куст в саду профессора Л. Менвальда в Сан-Жозе (штат Калифорния), пролетев три с половиной тысячи километров от мест своих гнездовий на Аляске.

Загадка столь точно нацеленных перелетов очень давно интересовала биологов, и они объясняли это по-разному. И не удивительно: проблема была исключительно сложной, а возможностей научно разрабатывать ее тогда еще не было.

Поэтому, когда Крамер доложил на международном конгрессе орнитологов о результатах своих экспериментов по изучению ориентации птиц, конгресс был изумлен и восхищен. Р. Питерсон сказал: «Сообщение Густава Крамера об экспериментах со скворцами, показавших, что единственный источник ориентации птиц — солнце, чрезвычайно захватывает и увлекает».

Сфера исследования миграций животных очень обширна, и определение направления миграций, конечно, только один из ее аспектов. Но проникновение в один аспект часто приводит к прояснению всей проблемы в целом.

Как мы видели, животные часто мигрируют к очень удаленным местам и там находят конечную, подчас ничтожно малую по размерам цель своего перелета. Такая точность была бы физически невозможной при отсутствии некой системы управления, аналогичной системе управления самонаводящейся торпеды.

При этом крайне важно понимать, что такая система управления не может функционировать без постоянного притока информации из окружающего мира. Самонаводящаяся торпеда должна получать сигналы, которые отражаются от цели, иначе она промахнется. Подобно этому, и животные должны получать сигналы из окружающей среды, иначе направляющий их механизм не сработает.

Но какие сигналы? Информация, поступающая из окружающей среды, может восприниматься либо известными нам органами чувств птицы, либо пока не известными. При этом независимо от того, каким образом воспринимается эта информация, она должна быть такой, чтобы птица смогла решить три задачи.

Во-первых, где она находится в данный момент и в каком направлении ей нужно следовать дальше.

Во-вторых, как сохранить направление в полете и как изменить его в случае необходимости.

В-третьих, как узнать место назначения, прилетев туда.

Существует ли какое-то единое чувство, известное или неизвестное нам, благодаря которому птица могла бы получить ответ на все эти вопросы? Попробуем рассмотреть возможные виды информации.

Каждый объект на поверхности Земли излучает тепло. Горячие предметы испускают излучение высокой интенсивности с малой длиной волны, а холодные — низкой интенсивности с большой длиной волны. Поэтому и частота и интенсивность излучения на полюсах будут сильно отличаться от таковых у экватора. Можно было бы предположить, что дальние мигранты улавливают эту разницу. Но, как заметил Гриффин, это было бы слишком простым объяснением способности птиц к ориентации.

Такому объяснению противоречат три факта. Излучение распространяется прямолинейно. Поэтому излучение от объекта, находящегося всего в полуторастах километрах от птицы, попадет в точку, расположенную значительно выше уровня обычных полетов птиц. Кроме того, тепловое излучение сильно искажается такими особенностями ландшафта, как леса, озера, пустыни, города, которые вносят в него так называемый «шум». И наконец, никто до сих пор убедительно не доказал, что птицы могут воспринимать изменения теплового излучения.

Все это касается обычного теплового излучения. А как же быть с чем-то менее очевидным? С магнитным полем Земли, например. Его тоже называли в качестве возможного «компаса» для птиц. Эквипотенциальные линии напряженности магнитного поля Земли примерно совпадают с параллелями. Если птица ощущает разницу в напряженности магнитного поля, то она может определить географическую широту своего местонахождения. Или, скажем, магнитное наклонение. Если птица воспринимает его, стрелка ее «компаса» будет находиться в горизонтальном положении над экватором и почти вертикальном — у полюсов. Изменение положения этой стрелки скажет птице о том, где она находится. Но и тут возникают препятствия. Опыты показали, что птицы не реагируют на магнитное поле, даже значительно более сильное, чем магнитное поле Земли. Кроме того, экспериментаторам ни разу не удалось научить птиц реагировать на магнитные поля[11].

Какие же другие особенности окружающей птицу среды могут давать ей информацию о ее местоположении? Очевидно, вращение Земли. Угловая скорость ее вращения такова, что точка на поверхности Земли, расположенная недалеко от экватора, движется со скоростью около 1600 км/час. Если птица летит на восток со скоростью 100 км/час, ее истинная скорость (относительно солнца) будет около 1700 км/час, а если она летит на запад, то около 1500 км/час. Если птица воспринимает эту разницу, то она может, по-видимому, определить направление полета и географическую широту своего местоположения.

А если птица не летит? Известен случай, когда гуси с подрезанными крыльями прошли несколько километров в направлении своих обычных перелетов. Кроме того, было убедительно показано, что содержащиеся в клетках птицы прекрасно определяют направление. Но, несмотря на очевидность фактов, ученые до сих пор не смогли установить, что помогает птицам ориентироваться в полете.

Итак, мы получили некоторое представление о сложности проблемы, с которой столкнулся Крамер. Немалую трудность в экспериментах по изучению ориентации птиц представляло определение направления их полета, поскольку наблюдать его можно было, лишь следуя за птицами. Нужен был новый экспериментальный метод.

Давно известно, что в сезон перелетов птицы, содержащиеся в клетках, обнаруживают так называемое «перелетное беспокойство»: они перепархивают с места на место, но сохраняют при этом определенное направление. Не это ли направление они избрали бы для полета, если бы были на свободе? На этот вопрос и решил ответить Крамер.

Объектом для своих наблюдений он выбрал европейского скворца, который превосходно переносит содержание в клетках, легко приручается и поддается обучению.

И вскоре лаборатория в Вильгельмсхафене обзавелась молодыми желторотыми птицами, а Крамер нетерпеливо ждал конца лета, когда начинаются осенние перелеты.

Еще до наступления прохладных октябрьских дней он установил непрерывное наблюдение за своими скворцами в светлое время суток (поскольку пролет скворцов идет днем). Из Вильгельмсхафена скворцы осенью обычно направляются на юго-запад. Предпочтут ли находящиеся в клетках скворцы именно это направление? Ждать Крамеру пришлось недолго: в октябре его птицы нервно бились в юго-западных углах своих клеток.

Какими ориентирами воспользовались птицы? Может быть, каким-нибудь чисто физическим признаком местности вроде дерева или холма? Крамер ставил клетки в различные места, прикрывал нижнюю часть клеток, чтобы скворец мог видеть только небо, но птицы по-прежнему столь же упорно стремились на юго-запад. Следующей весной, когда направление перелетов скворцов изменилось на северо-западное, птицы в своих клетках отдавали предпочтение северо-западному направлению.

Такова суть экспериментального метода, который столь долго искал Крамер. Теперь ему предстояло создать оборудование, чтобы проводить тысячи наблюдений и статистически обрабатывать их.

Была построена круглая клетка с абсолютно симметричной внутренней поверхностью: находящаяся в ней птица не имела никаких ориентиров, по которым она могла бы определить направление. С жердочки, расположенной в центре клетки, птица в период перелетного беспокойства постоянно вспархивала, порываясь лететь все время в одном направлении. Прозрачный пластиковый пол позволял наблюдателю, лежащему под клеткой, следить за птицей. Чтобы обеспечить точную регистрацию положения птицы в любой момент, пластик был размечен на ряд секторов.

Самой важной переменной в опытах Крамера было направление света, попадавшего в клетку. Поэтому он поместил экспериментальную круглую клетку в шестигранный павильон, каждая из сторон которого имела окно со ставнем. К внутренней стороне ставня прикреплялось зеркало, изменявшее направление луча света, идущего в клетку. И наконец, и клетку и экран вокруг павильона можно было вращать.

Когда все было готово, Крамер расположился под прозрачным дном клетки с тетрадью и карандашом в руках и каждые десять секунд записывал, какой из размеченных секторов занимала птица. По утрам в течение по крайней мере часа Крамер отмечал положение птицы и очень скоро убедился, что ни оборудование, ни его собственное присутствие не беспокоят скворцов.

Теперь исследователям уже не мешали неопределенности и неточности, неизбежные при наблюдениях в поле. Лабораторный опыт позволял экспериментатору менять контролируемые условия любым нужным ему образом. Как, например, будут вести себя птицы, если луч света, попавший в клетку, отразится зеркалом под прямым углом к его естественному направлению? Ведь в такой ситуации положение солнца должно казаться находящейся в клетке птице повернутым на 90°.

Рис. 32. Скворец, обученный летать в одном и том же направлении в одно и то же время (например, когда солнечные лучи падали в направлении, обозначенном светлой стрелкой), знал, в каком направлении нужно лететь и в любое другое время дня (например, когда солнечные лучи падали в направлении темной стрелки). Точками показаны отдельные положения птицы.

И снова Крамер педантично записывал: «Первые 10 секунд птица в секторе № 8; вторые 10 секунд — в секторе № 9; третьи 10 секунд — в секторе № 7; четвертые 10 секунд — в секторе № 9; пятые 10 секунд — в секторе № 8…» и так далее, пока не сделал более 350 записей в течение всего лишь часа. Вскоре достоверность полученных результатов стала очевидной. Но примут ли их скептически настроенные ученые? Наверняка нет, поскольку из этих результатов следовал совершенно поразительный вывод. И Крамер снова принимается за свои утомительные наблюдения.

Когда же он объявил о своих выводах, научный мир был действительно поражен. Более всего ученых удивил тот факт, что когда направление солнечных лучей было изменено на 90°, скворцы порывались лететь в новом направлении, повернутом на те же 90°. Значит, для определения направления перелета птицам необходимо взять пеленг по солнцу!

Крамер искал ответ на интересовавшие его вопросы, всячески изменяя условия своего эксперимента. Вращал непрозрачный экран вокруг павильона, так что птицы могли видеть лишь часть неба. Вращал клетку. Прикрывал павильон экранами, чтобы варьировать количество проникающего в него света, имитируя различную степень облачности. Но как бы он ни изменял условия, скворцы всегда выбирали правильное направление, если видели солнце непосредственно.

Крамер, конечно, был знаком с ранней работой Белинг, показавшей, что пчел можно научить искать пищу в определенном направлении. А что, если попробовать таким же образом обучать птиц?

Исследователь строит круглую дрессировочную клетку, которая так же, как и первая, выглядит изнутри абсолютно симметричной. Но снаружи вокруг клетки он равномерно разместил двенадцать совершенно одинаковых кормушек, прикрытых резиновыми мембранами с прорезями. Пока птица не просовывала клюв сквозь прорезь, она не знала, в какой из кормушек лежит зерно.

Теперь Крамеру нужно было обучить птицу искать пищу в одной какой-нибудь стороне клетки. Он выбрал для этого восточную кормушку и в семь часов утра насыпал в нее зерно. Птица проявила большую настойчивость и после серии попыток обнаружила, что пища лежит только в восточной кормушке. Через 28 дней обучения (дрессировка проходила от 7 до 8 часов утра) скворец усвоил урок.

Пришло время решительной проверки. Крамер перенес клетку на десять километров и в 17.45 насыпал зерно в восточную кормушку. Как теперь поведет себя птица?

Во время утренних дрессировок солнце находилось чуть-чуть правее восточной кормушки. Теперь же, к концу дня, оно было позади западной. Будет ли птица и сейчас искать пищу в восточной кормушке или повернет за ней в направлении солнца? Крамер напряженно ждал. Скворец немного пометался по клетке, видимо, в нерешительности, а затем, ошибившись всего один раз, повернулся к восточной кормушке.

Итак, птица каким-то образом знала, что для того, чтобы найти восток утром, надо двигаться по направлению к солнцу, а в конце дня — так, чтобы солнце оставалось непосредственно сзади!

Чтобы еще более утвердиться в своих выводах, Крамер придумал исключительно изящный эксперимент. Прежде всего он обучил скворца находить пищу независимо от времени дня в западной кормушке. Затем он закрыл клетку защитной ширмой от настоящего солнца и осветил ее искусственным солнцем, но так, что свет падал все время с одной и той же стороны — с запада.

Рис. 33. Установка Крамера для изучения выбора скворцом направления при фиксированном положении «солнца» (С) (вверху). Сначала скворца обучали искать пищу при открытом небе (а) в кормушке (П), находящейся в западном секторе клетки (К). Затем загораживали клетку защитным экраном (Э) от настоящего солнца и включали фиксированное «солнце». И птица, принимая искусственное «солнце» за настоящее, искала пищу в восточной кормушке утром (б), в северной — в полдень (в) и в западной — в конце дня (г).

Что будет делать бедная птица при таком «солнце», которое непрерывно светит с одной и той же стороны? К удивлению сгоравшего от нетерпения Крамера, скворец отнесся к этому светилу, как к настоящему, то есть повел себя так, словно «солнце» перемещалось, как ему и положено, по небосводу. Поскольку он был обучен искать пищу в любое время дня в западной кормушке, он искал ее в восточной кормушке в 6 часов утра, в северной — в полдень и в западной — в 17 часов.

Можно ли было теперь сомневаться в том, что эта птица с темными переливающимися перьями могла определять время дня с точностью до минуты?

Вот о таких удивительных открытиях сообщил Крамер научному миру в начале 50-х годов. И хотя эти открытия очень быстро принесли ему мировую известность, сам он смотрел на свои достижения глазами непредубежденного человека. Предстояло сделать еще очень много, чтобы выяснить, как же именно ориентируются птицы.

Поскольку он показал, что птица определяет направление, ориентируясь по солнцу и учитывая его суточное перемещение, можно было считать, что она обладает солнечным компасом, которым пользуется точно так же, как штурман магнитным компасом для прокладывания курса. Но это было лишь частичным решением проблемы. Ведь человек для определения направления должен иметь еще и карту, а также знать свое местоположение на этой карте. Значит, для того, чтобы достигнуть конечной цели перелета, птице тоже необходимо располагать какой-то картой. Но о такой карте пока никто не знал. И Крамер обращается к литературе. Один из английских исследователей, Джеффри Мэтьюз, долгое время изучал поведение почтовых голубей и написал после этого пространную монографию о навигации птиц. Она заинтересовала Крамера, который очень скоро понял, сколь многое обещала ему разработанная Мэтьюзом техника эксперимента. Мэтьюз выпускал почтовых голубей, предварительно унесенных от голубятни в специально выбранное для этого место (открытые равнины с одинаковой видимостью во все стороны), и следил за направлением их полета в бинокль до тех пор, пока птица не скрывалась из виду. Эти наблюдения тщательно сопоставлялись со сроками возвращения птиц к гнезду.

Учитывая результаты Мэтьюза, Крамер наметил широкую программу собственных экспериментов, которую он, к сожалению, не смог осуществить.

В поисках хорошо ориентирующихся птиц он начал отлавливать диких голубей в горах Калабрии, на юге Италии. 4 апреля 1959 года во время одного из восхождений он сорвался и погиб.

Густав Крамер неоспоримо доказал, что птицы способны ориентироваться по положению Солнца на небосводе с внесением поправок на его перемещение. И объяснялось все это единственным способом — птицы имеют собственные часы. Причем настолько точные, что сравнить их можно разве что с хронометром, которым пользуются штурманы.

Рис. 34. Густав Крамер выпускает почтовых голубей с башни старого Гейдельбергского замка около Гессена.

10. Часы пчел

Выдающийся энтомолог Карл Фриш получил всеобщее признание научного мира за эксперимент, который ему долго не удавалось провести. Известный биолог, профессор Флоридского университета А. Карр писал:

Одним из ярких событий в зоологической науке нашего столетия явилось открытие Карлом Фришем солнечного компаса у пчел. Веками людей удивляла поразительная прямолинейность полета пчел от улья до источника нектара и обратно[12]. Блестящая работа Фриша показала, что пчелы выдерживают эту прямолинейность благодаря своей ориентации по солнцу с учетом его перемещения в разное время дня. Свои выводы он увенчал совершенно поразительной картиной короткого танца, которым пчелы рассказывают о местонахождении обнаруженного ими источника корма. В темноте улья на вертикальной поверхности сота пчела описывает круг, пробегая по нему то в одном, то в другом направлении и по его диаметру. Угол, образованный между диаметром, пробегаемым пчелой, и вертикалью, указывает, куда лететь. Все, что требуется от других пчел, — это перевести картину танца на плоскость так, чтобы вертикаль совпадала с направлением от улья на солнце, тогда диаметр круга укажет направление взятка. С течением дня угол между искомым направлением полета пчелы и направлением от улья на солнце меняется. Пчела, исполняющая танец, знает это и соответственно уменьшает угол утром или увеличивает его во второй половине дня.

Таким образом, пчелы могут пользоваться солнцем как компасом. Это открытие было одним из наиболее важных за все время исследований в области ориентации животных. А то, что оно заключало в себе еще и другое открытие — как пчелы передают друг другу информацию, — невероятное совпадение.

Поражает, что свое открытие Фриш сделал одновременно с открытием Крамером солнечного компаса у птиц, тем более что ученые не имели ни малейшего представления о работе друг друга. Как это получилось, понять нетрудно. Оба они были биологами, но биологами совершенно различных специальностей: Крамер был орнитологом, а Фриш энтомологом. Поэтому и задачи у них были разные. Крамер, изучая навигацию у птиц, открыл солнечный компас, из чего следовал непреложный вывод, что птицы могут измерять время. Фриш же, глубоко убежденный в том, что у пчел развито «чувство времени», и пытаясь выяснить, каким образом они им пользуются, обнаружил, что пчелы обладают солнечным компасом. Так два ученых пришли к одному выводу на основе наблюдений над разными явлениями.

Как ни странно, но вывод Фриша последовал из эксперимента, который по воле обстоятельств ему долгое время приходилось откладывать.

Еще в Мюнхене он узнал об интересных наблюдениях Фореля и Буттель-Реепена: пчелы прилетают за пищей только в те часы, в которые они привыкли находить ее. Работавшая под руководством Фриша студентка Белинг тщательно выполненными экспериментами показала, что пчелы не только удивительно точно следуют своему времени в нормальных условиях, но, что еще более важно, их чувство времени сохраняется при постоянном освещении, температуре, влажности и концентрации электрических зарядов в атмосфере.

Способность верно отсчитывать время можно объяснить либо тем, что часы пчел являются полностью внутренним механизмом, не требующим никаких сигналов извне, либо тем, что ими управляет какой-то доселе неизвестный фактор окружающей среды.

Этот фактор должен иметь правильную суточную периодичность, соответствующую периоду вращения Земли, и, кроме того, он должен быть всепроникающим, поскольку его влияние ощущается не только внутри обычных лабораторных зданий, но и на глубине двухсот метров под землей (как показали эксперименты Валя по изучению действия космического излучения).

Был необходим эксперимент, который бы помог раз и навсегда сделать выбор между внутренней и внешней природой чувства времени у пчел.

Фриш начал со строгого логического анализа всех имеющихся у него фактов. Если он действительно столкнулся с какой-то неизвестной формой излучения, она должна иметь суточную периодичность, связанную с суточным вращением Земли, и, следовательно, соответствовать видимому перемещению солнца. А значит, размышлял Фриш, с переходом из одного часового пояса в другой интенсивность такого излучения должна обязательно меняться.

Следуя логике своих рассуждений, Фриш вдруг совершенно четко представил себе тот самый эксперимент, который мог дать однозначный ответ на его вопрос.

Он обучит группу пчел искать пищу в определенный час по местному времени. Затем этих пчел в специальных контейнерах, где можно поддерживать постоянные условия, он погрузит на трансатлантический лайнер, отплывающий на запад. Если пчелы в своем поведении будут придерживаться старого расписания, то их пунктуальность обусловливается работой внутренних часов, а если время кормежки будет сдвигаться по мере пересечения временных поясов, значит, решающую роль в их чувстве времени играет внешний фактор, изменяющийся со сменой временного пояса.

Подготовившись к этому эксперименту, Фриш погрузил на корабль контейнер с пчелами и подробно проинструктировал студентку, которая согласилась пересечь океан, как вести наблюдения за пчелами во время путешествия.

Даже такому сдержанному человеку, как Фриш, трудно было дождаться дня, когда он сможет приступить к изучению записей, которые привезет его ученица. Но она ничего не сделала, потому что все путешествие невероятно страдала от морской болезни.

А потом началась вторая мировая война. И эта тема была на долгое время отложена. Как оказалось — к лучшему. Когда много лет спустя Фриш вернулся к этому эксперименту, самолеты уже регулярно летали из Парижа в Нью-Йорк и исходная схема эксперимента могла быть улучшена. Но прежде необходимо было провести опыт, который помог бы ответить на вопрос, действительно ли пчелы вносят поправку на перемещение солнца по небосводу.

План Фриша был очень прост. Обучить группу пчел (меченных цветным шеллаком) посещать пахнущую анисовым маслом кормушку к западу от улья. Затем перенести пчел в закрытом улье на другое место и поставить вокруг него четыре одинаковые кормушки — на западе, севере, востоке и юге. У каждой кормушки будет находиться наблюдатель, который должен учитывать появляющихся пчел и уничтожать их (чтобы исключить возможность передачи информации).

Для своего первого «эксперимента с перемещением улья» Фриш избрал местечко Бруннвинкль. Там за несколько дней он обучил меченых пчел находить кормушку, стоящую в двухстах метрах к западу от улья. Путь пчел пролегал между домами, через лес и над заливом.

Затем сентябрьским утром 1949 года (до начала летного времени пчел) он перенес улей на большое ровное поле, находившееся примерно в пяти километрах от Бруннвинкля. Пчелы на этом поле прежде никогда не бывали. С четырех сторон, строго по компасу были установлены четыре кормушки, каждая на расстоянии двухсот метров от наблюдательного улья. Когда наблюдатели устроились на своих местах у кормушек, Фриш дал сигнал открыть улей. Было 8.25 утра.

Сам он находился у западной кормушки, сидя па легком складном стуле. Первая пчела появилась через 20 минут после того, как открыли улей. По его собственному признанию, он с удивлением увидел, как за ней стали прилетать другие пчелы. К концу первого часа появилось 10 пчел, к концу второго — 8, а в течение третьего, последнего часа — всего 2 пчелы. Таким образом, западную кормушку, то есть ту, к которой они были приучены в Бруннвинкле, посетило 20 пчел.

Что же увидели другие наблюдатели?

Рис. 35. Наблюдательный улей Карла Фриша.

Крышка с правой стороны улья снята, чтобы можно было видеть его внутреннюю часть. На передней поверхности улья показан леток.

У северной кормушки побывала всего 1 пчела, у восточной — тоже 1, а у южной — 5 пчел. Таким образом, из 27 зарегистрированных пчел 20 прилетели к западной кормушке. Несколько озадачивали те 5 пчел, которые прилетели к южной кормушке, но Фриш подозревал, что в этом повинен легкий южный ветер, возможно донесший до улья запах анисового масла. Результаты эксперимента привели к совершенно однозначному выводу: полеты пчел направляются солнцем; пчелы несомненно вносят поправку на его перемещение, поскольку во время их последних тренировочных полетов к кормушкам около Бруннвинкля солнце находилось на западе, а наутро в открытом поле — на юго-востоке.

Другую группу пчел Фриш подверг более серьезному испытанию: они обучались в совершенно незнакомой для них местности под Мюнхеном всего один день. Открыли улей незадолго до полудня, а к середине второй половины дня пчелы уже находили кормушку, расположенную на расстоянии ста восьмидесяти метров на северо-запад. В 8 часов вечера улей закрыли — к этому времени пчелы успели потренироваться всего около четырех часов.

Рис. 36. Эксперимент с перемещением улья. Наблюдательный улей ставили в двух разных точках на расстоянии 22 километров друг от друга. 29 июня 1952 года (слева) кормушка (К) была поставлена в 180 м к северо-западу от наблюдательного улья (Ну). 30 июня 1952 года (справа) четыре кормушки (К1, К2, К3, К4) были размещены в 180 м от улья. У K1 появилось 15 пчел, у К2 — 2, у К3 — 0 и у К4 — 2 пчелы.

На следующее утро до вылета пчел он перевез улей еще за двадцать километров, в места с совершенно иным пейзажем. Теперь вместо леса с густым травяным покровом на восток от улья простиралось большое озеро, вокруг было пустынно и неприветливо. Кормушки были размещены следующим образом: одна на северо-запад от улья (направление, в котором дрессировали пчел накануне), а три другие в трех равноотстоящих по компасу точках. Чтобы еще больше запутать пчел, он повернул улей под прямым углом к положению, в котором тот был во время дрессировки пчел.

Смогут ли пчелы после одного-единственного дня обучения правильно выбрать направление полета в другом месте и в другое время дня? Не все пчелы справились с этим заданием. Из 30 меченых пчел, обучавшихся накануне, 11 не смогли найти ни одной кормушки за трехчасовой период (с 7.15 до 11.15 утра).

Однако из 19 особей, нашедших за это время кормушки, 15 сразу же полетели в правильном северо-западном направлении, 2 уклонились на 90° вправо, 2 — на 90° влево, и ни одна не улетела в противоположном направлении.

Итак, приходит к выводу Фриш, нет сомнения, что пчелы находят нужное им направление по положению солнца, учитывая его перемещение в течение дня. Солнце является для них настоящим компасом.

И снова возникает вопрос, ориентируются ли пчелы во времени с помощью внутренних часов или под влиянием каких-то внешних факторов?

Фриш, безусловно, не мог не учитывать влияния таких факторов, как атмосферное электричество и космические лучи, но в процессе тщательных экспериментов отмел эти факторы один за другим.

Если поиски некой внешней силы как фактора, задающего время, окажутся безрезультатными, то надо искать какие-то внутренние ритмы в самом организме пчел.

А не следует ли подумать о суточном ритме чувства голода? Пчелы обучаются чрезвычайно быстро, а заучивая, например, что цветки гречихи выделяют нектар только по утрам, они очень скоро именно в это время начинают испытывать голод. Логично предположить, что голод и заставляет их направляться на поля гречихи?

Однако Фриш и его сотрудники считают такое объяснение маловероятным. Прежде всего, пчелы-сборщицы не питаются непосредственно нектаром. Они просто собирают его в так называемый зобик, который представляет собой расширение пищевода, и, вернувшись в улей, передают другим пчелам, и те уже превращают его в мед. И вообще пчелы питаются медом, а не нектаром. Причем поглощать мед из своего зобика они могут когда угодно, но только не во время сбора нектара. Наконец, пчелы едят и пыльцу, которая составляет белковую часть их пищи, а наличие пыльцы на растениях никак не связано по времени с выделением нектара.

И все же, несмотря на маловероятность такого предположения, Фришу не хотелось отвергать мысль о роли голода без проверки. Результаты проведенного эксперимента показали, что чувство времени у пчел не зависит от суточного ритма чувства голода.

Рис. 37. Камера, которой пользовался Макс Реннер для обучения пчел (в Париже) и проведения опыта (в Нью-Йорке). Оборудование камеры состояло нз ламп для освещения (а), второго прозрачного потолка (б), геометрических фигур (в), улья (г), термометра и реле (д), электронагревателя (е), корытца с пыльцой (ж), регулятора влажности (з), лоточка с водой (и), кормежного столика (к). Реннер находился около кормежного столика.

Поскольку проводившиеся до сих пор исследования внутренних и внешних факторов дали только отрицательные результаты, пришло время провести более общий эксперимент. И Фриш обратился к тому опыту, который был когда-то сорван из-за морской болезни его студентки, тем более что к 1955 году трансатлантические перелеты стали обычным делом.

Цель опыта оставалась прежней — выяснить, сохранится ли старое «расписание» у пчел, обученных вылетать за пищей по европейскому времени, после перевозки их в США. Макс Реннер, один из сотрудников Фриша, взял на себя выполнение программы эксперимента, а Фриш провел всю необходимую подготовку.

Основное оборудование состояло из двух одинаковых камер для пчел, которые обеспечивали своих обитателей на все время эксперимента постоянными условиями освещения, температуры и влажности. Эти помещения были немногим более двух метров в ширину, около трех метров в высоту и пяти метров в длину. Кроме столика с ульем, в каждой камере находились совершенно одинаковые корытца с пыльцой, кормушки, лоточки для питья и стул для наблюдателя (естественно, возле кормежного столика). Стены были разрисованы одинаковыми геометрическими фигурами, служившими ориентирами для пчел.

Наконец, в Париже, в один из июньских дней 1955 года Реннер начал дрессировать в такой камере группу из 40 пчел: они получали сахарный сироп с 20.15 до 22.15 по парижскому времени. Придя к заключению, что его пчелы достаточно обучены, и упаковав их в ящик, Реннер вылетел с ними в Нью-Йорк. Менее чем через сутки после того, как они покинули Париж, пчелы были помещены в аналогичную камеру, которая стояла в Американском музее естественной истории.

Как они ответят на заданный вопрос? Подлетят ли к кормушке ровно через 24 часа после последней подкормки в Париже? Или выждут пятичасовую разницу во времени между Парижем и Нью-Йорком, чтобы получить сигнал от какого-то внешнего фактора, действующего по нью-йоркскому времени?

«Пчелы ответили на поставленные им вопросы быстро и совершенно недвусмысленно, — писал позднее Реннер. — В 15.15 по местному, нью-йоркскому, времени, то есть ровно через 24 часа после последней подкормки в Париже, первые пчелы вышли из улья и принялись летать по камере, будто ничего не изменилось.

Результаты этого эксперимента, так же как и обратного (пчел, обученных в Нью-Йорке, переправляли в Париж), дали ясный ответ на вопрос о природе временной ориентации пчел: обученные пчелы-сборщицы сохраняют свой 24-часовой ритм независимо от внешних влияний, связанных с суточным ритмом. Пчелы обладают внутренними часами, которые управляют организмом пчел».

Нельзя не восхищаться исключительно успешным завершением экспериментов. Но Фриш далек от мысли считать природу пчелиных часов окончательно выясненной. Подводя итоги своей полувековой работы с пчелами, он говорит:

«Нельзя сказать, что мы раскрыли последнюю тайну их чувства времени. Нет. Наука движется вперед, но медленно. Не в этом ли ее извечная привлекательность? Не устали ли бы мы от нее, если бы она слишком быстро раскрывала свои тайны?»

11. Белки в колесе

Чтобы познакомиться с современными поисками решения проблемы живых часов, обратимся к исследованиям, проводившимся биологами в последние годы. В числе первых следует, пожалуй, назвать работу Патриции де Курси.

В 1955 году де Курси получила диплом Висконсинского университета и начала работать над диссертацией, посвященной суточной активности животных.

В поисках объекта для своих наблюдений она остановилась на белке-летяге Glaucomys volans. Ее выбор не был случаен. Как и многие другие ночные животные, эти грызуны начинают активную жизнь с заходом солнца и прекращают ее с рассветом. Они в большом количестве водились в окрестностях Мадисона, а их привычка возвращаться ежедневно в свое гнездо облегчала наблюдение за ними. Де Курси начала с изучения закономерностей суточной активности летяг в естественных условиях. Вскоре в Мадисон приехал читать лекцию о ритмах у мышей К. Раусон, работавший в это время над диссертацией о возвращении к гнезду и эндогенных ритмах активности. «Эта одна-единственная лекция, — писала позднее де Курси, — оказала огромное влияние на все мои последующие планы и эксперименты».

Поскольку летяги покидают дупло в строго определенное время, они оказались первоклассными животными для изучения факторов, влияющих на ритм активности у ночных грызунов.

Рис. 38. Начало двигательной активности летяги в условиях естественного освещения. Пунктирная линия обозначает местное время захода солнца; точки — начало активности.

Де Курси нашла помещение, в котором она могла содержать подопытных животных и работать с ними в строго контролируемых условиях: при постоянной температуре, регулируемой интенсивности освещения и полной изолированности от каких-либо звуковых помех.

В помещении для экспериментов де Курси установила дополнительный регулятор температуры и автоматическую систему освещения, которая обеспечивала определенный диапазон чередования света и темноты. Она построила прогулочные клетки и точно сбалансированные вращающиеся клетки-колеса, в которых летяги могли бы бегать. Каждое вращающееся колесо было соединено с автоматическим регистрирующим устройством, которое фиксировало на бумаге любое движение летяги. По этим графикам можно было определить точное время начала двигательной активности животного.

Рис. 39. Активность летяги в условиях постоянной темноты. Лишенное нормальных световых ориентиров, животное постоянно опережало время.

Де Курси регистрировала ритм двигательной активности летяги, выставлявшейся ежедневно в клетке на улицу. Записи велись с конца декабря 1957 года до января 1959 года. Сопоставив полученные результаты с временем захода солнца, де Курси обнаружила строгую закономерность. Прямая связь начала активности с наступлением сумерек заставляла предполагать, что активность летяг определяется какими-то изменениями во внешних условиях. Иными словами, в окружающей среде существует некий ориентир, который позволяет животному очень точно узнавать время.

Что произойдет, если такой ориентир исключить? Для этого де Курси перенесла часть летяг в подвальное помещение, где они были полностью изолированы от всякой внешней информации. В условиях постоянной темноты при 20 °C каждая летяга обнаруживала свой собственный свободнотекущий ритм. Ежедневные записи для каждого животного были сведены в общие графики, охватывающие длительный период времени. Лишенные каких-либо световых и температурных ориентиров, летяги продолжали чередовать интенсивные пробежки в колесе с периодами почти полного покоя. Более того, каждый цикл занимал приблизительно 24 часа, несколько сдвигаясь по фазе по сравнению с чередованием дня и ночи во внешнем мире.

Приняв за точку отсчета резкий подъем активности, де Курси рассчитала среднюю величину периода свободнотекущего ритма в темноте и таким образом измерила скорость и направление сдвига фазы. Расчеты, проведенные по 48 опытам на 18 животных, выдерживаемых в условиях темноты от 10 до 123 дней, показали, что период активности варьирует от 22 часов 58 минут до 24 часов 21 минуты. Несмотря на индивидуальные различия, цикл каждого животного, после того как он становился свободнотекущим, оставался постоянным с точностью до нескольких минут.

«Таким образом, основными особенностями ритмов активности в темноте, — писала она, — по-видимому, являются: а) их устойчивость и эндогенная природа; б) стабильность частоты для одной особи в течение исследуемого периода; в) ограничение величины периода свободнотекущего ритма узкими пределами (обычно период немного меньше 24 часов, что и приводит к сдвигу фазы активности); г) очень высокая точность сохранения ритма у одной особи».

Оценивая значимость внешних факторов для установления ритмов активности летяг, де Курси предположила, что наибольшее влияние должен оказывать свет. Ведь именно с освещенностью связана циклическая активность почти всех животных независимо от того, являются ли они дневными, ночными или сумеречными (активными при слабом освещении — на рассвете или перед наступлением ночи). Но исследовательница не исключала возможного влияния температуры и звука и собиралась позднее провести эксперименты с использованием и этих факторов.

Какие эксперименты более четко выявят влияние освещения на активность животных? А что, если поместить животных в условия постоянства внешней среды вроде тех, которые она использовала для измерения периода свободнотекущих ритмов, а потом подвергнуть их действию чередующихся периодов света и темноты? Обнаружив в ритме активности изменения, можно завершить эксперимент возвращением животных в условия постоянства среды, чтобы проверить, не будет ли восстановлен исходный свободнотекущий ритм.

Де Курси проделала это в 30 различных опытах с летягами, у которых, по ее наблюдениям, периоды свобод-нотекущих ритмов были и меньше и больше 24 часов. Обычно она помещала летягу (с периодом свободнотекущего ритма меньше 24 часов) на несколько дней в условия постоянной темноты. Как она и ожидала, начало активности этой летяги все время сдвигалось вперед, то есть ее часы спешили. Потом она воздействовала на животное 24-часовым циклом свет — темнота (СТ 12:12), по фазе не совпадавшим с периодом его свободнотекущего ритма[13]. Теперь начало активности сдвигалось назад (то есть опаздывало), пока не достигало постоянного значения, сохранявшегося на все время такого чередования света и темноты. Завершая эксперимент, де Курси возвращала летягу в условия постоянной темноты, и тогда начало активности опять сдвигалось вперед.

В последующих экспериментах она использовала животных с периодом свободнотекущего ритма больше 24 часов. Результаты этих экспериментов в точности совпадали с полученными ранее и, таким образом, еще раз подтвердили, что для Glaucomys свет является сильным агентом, смещающим фазу ритма.

И все же эти опыты не объясняли действия света. Тогда де Курси перешла ко второй серии экспериментов, в которых использовала кратковременные вспышки света, своего рода метод «светового шока».

Животное держали в условиях постоянной темноты в течение нескольких недель, чтобы измерить период его свободнотекущего ритма в устойчивом состоянии.

Период свободнотекущего ритма у этого животного был меньше 24 часов, и потому начало активности летяги сдвигалось, опережая показания часов. Де Курси продолжила эксперимент, чтобы иметь возможность провести прямую через точки, соответствующие времени начала активности[14]. По направлению изменения ритма можно было рассчитать предполагаемое время начала активности летяги на следующий день.

Итак, установив скорость опережения в этом свободнотекущем ритме, де Курси в определенный момент и только один раз в сутки включала свет (5 люксов на 10 минут). Различие между ожидаемым и действительным временем начала активности и показывало сдвиг фазы, возникший в результате такого кратковременного освещения.

Оказалось, что единичные вспышки света сдвигают начало активности летяги, только когда они даются в определенный период собственного цикла животного. В остальное время они не приводят к сдвигу фазы. Так или иначе, сдвиг фазы, следующий за световой вспышкой, зависел от того, на какое время суток она приходилась с точки зрения летяги.

Возьмем, например, летягу, у которой собственные свободнотекущие часы отмеряют 23-часовые сутки. Эта летяга ежедневно будет опережать истинное время на час. Сумерки для нее будут наступать через каждые 23 часа; ночь будет длиться около 10 часов, день — примерно 13. Мы можем рассматривать этот 10-часовой период как субъективную ночь летяги и 13-часовой период как ее субъективный день. Де Курси включала свет несколько раз в течение субъективной ночи и субъективного дня летяги, пытаясь обнаружить возможные различия в ее реакции. Свет вызывал максимальный эффект, если он действовал во время, соответствовавшее по свободно-текущим часам животного приближению сумерек[15]. Световой сигнал просто подавлял сигнал внутренних часов. Летяга как бы говорила себе: «Нет, сумерки еще не наступили. Лучше посижу тихо».

Если свет включали во время полной активности летяги, то есть во время ее субъективной ночи, действие вспышки проявлялось значительно меньше, если же — в течение субъективного дня животного, когда летяга находилась в неактивном состоянии, она на него вообще не реагировала.

Так эксперименты де Курси с кратковременными вспышками света помогли ей понять механизм, с помощью которого живущие на воле летяги синхронизируют свою двигательную активность со временем суток. Эта синхронизация, по-видимому, происходит в результате ряда сдвигов фазы, а сам процесс находится под контролем ритма чувствительности к свету.

После этого де Курси провела несколько экспериментов для выяснения влияния температуры и звука. Но ни резкие изменения температуры, ни звуковые сигналы не влияли на поведение летяг.

«В заключение можно отметить, что активность Glaucomys в естественных условиях совпадает с периодом темноты и что это соответствие сохраняется в течение всего года, по-видимому, благодаря взаимодействию эндогенного ритма активности с ритмом чувствительности к свету. В отношении воздействия температуры или звука подобных явлений не отмечается».

12. Навигационные способности птиц

Открытие способности птиц ориентироваться по солнцу изумило ученых, но то, что во время ночных пролетов птицы ориентируются по звездам, буквально потрясло их. Это было доказано через несколько лет после открытия Крамера молодыми исследователями из Фрейбургского университета (ФРГ) Францем Зауэром и его женой Элеонорой.

Вскоре после защиты в 1953 году диссертации по зоологии Франц Зауэр заинтересовался проблемами поведения животных, особенно тем, как влияют на их поведение условия окружающей среды. И он продолжает во Фрейбурге работу над второй диссертацией, специализируясь на этот раз в области этологии. Одной из первых проблем, решению которой они с женой отдали много сил и терпения, была проблема общения в мире животных, и в частности проблема обучения пению молодых птиц.

В начале 50-х годов мнения ученых по этому вопросу расходились. Многие считали, что птицы обучаются пению, подражая старшим и более опытным сородичам. Рабочая гипотеза Зауэров сводилась к тому, что птицам не нужно учиться петь, что поют они благодаря врожденной способности, которая не зависит от того, есть ли вокруг них хорошие певцы или нет.

Проверить эту гипотезу Зауэры решили на европейских славках с их очень характерной песней. В соответствии с требованиями эксперимента им приходилось выращивать своих славок в условиях полной изоляции, в звуконепроницаемом помещении, так чтобы в течение всей своей жизни их питомцы не слышали ни одной птичьей песни.

Как будут вести себя эти изолированные от мира птицы, когда они вырастут и будут готовы обзавестись семьей? Запоет ли взрослый самец свою песню, которая объявит всем, что он занял определенную территорию и готов создать семью? И запоет ли он вообще?

Результатов своего эксперимента Зауэрам пришлось ждать долго. Наконец, в один прекрасный день исследователи возликовали — их тяжкие труды не пропали даром. Птица запела!

Она пела, хотя никогда за всю свою жизнь не слышала пения. Потом запел еще один выращенный в полной изоляции самец, потом другой, третий. Хотя это пение и нельзя было назвать совершенным, но в нем ясно проступала мелодия, которую славки обычно поют в это время года. Итак, гипотеза была подтверждена экспериментом.

Изучение миграций птиц позволило установить один очень важный факт: многие птицы ежегодно совершают перелеты за сотни и тысячи километров по определенному, только им свойственному маршруту. Сбившиеся с пути или искусственно удаленные от пролетных путей птицы находят дорогу к местам, через которые проходит их миграция, и продолжают перелет по своему обычному маршруту.

Эксперименты Крамера положили начало изучению способов ориентации птиц. Было обнаружено, что днем птицы ориентируются, сопоставляя положение солнца со временем, которое показывают их внутренние часы. Однако многие птицы мигрируют ночью. Европейские славки, с которыми экспериментировали Зауэры, принадлежали именно к таким видам. Если птицы ориентируются днем по солнцу (а Зауэры обнаружили, что и славки могут это делать), то почему бы им ночью не ориентироваться по звездам?

Так начались продолжительные и напряженные исследования, ставящие перед собой цель — выяснить, как славки ориентируются в полете. Повсюду в Европе эти мелкие певчие птицы весной выводят птенцов и в течение лета благополучно кормятся днем на кустах бузины и ежевики. Но в одну из августовских ночей вся местная популяция данного вида исчезает: начинается осенний перелет. На следующее утро новая группа прибывает из более северного района, с тем чтобы через несколько дней отбыть в южном направлении. Сначала полностью исчезают садовые славки, затем серые, за ними следуют славки-завирушки и наконец славки-черноголовки.

Мелкие птицы, отличающиеся более интенсивным обменом веществ, расходуют свои запасы энергии в полете быстрее, чем крупные. Поэтому они вынуждены так же быстро и эффективно возобновлять их, а это легче всего сделать днем. Кроме того, ночью меньше отвлекающих факторов и птицам легче преодолевать большие расстояния.

Куда же отправляются славки на зиму? Метод кольцевания птиц позволил ответить на этот вопрос. Обычно славки улетают в различные районы Африки. Например, славка-завирушка зимует в центральной части Африки, между 10° и 50° восточной долготы. Славки, летящие из Скандинавии в Южную Африку, проделывают треть кругосветного путешествия. Весной их опять охватывает перелетное беспокойство, какое-то внутреннее чувство смены времени года заставляет их готовиться к обратному перелету на север.

«Самое замечательное, — пишет Зауэр, — заключается в том, что каждая птица сама находит путь к месту назначения! Славки не следуют за вожаком и не путешествуют группой. Они летят в одиночку. И молодые птицы, впервые проделывающие свой перелет, добираются до цели столь же уверенно, как и их опытные сородичи. Каким-то образом, чисто инстинктивно, славки прокладывают нужный курс».

Мы уже знаем о совершенно поразительных примерах перелетов, которые демонстрируют полярная крачка и новозеландская бронзовая кукушка.

Что же тогда удивительного в способности птиц возвращаться к своему «дому»! В. Рюппель увозил скворцов от их гнезд в окрестностях Берлина в самых различных направлениях на расстояние до двух тысяч километров. После того как их выпускали, скворцы находили дорогу домой! Дж. Мэтьюз переправил обыкновенного буревестника на самолете с западного побережья Англии в Бостон и там выпустил его. А спустя 12 дней буревестник был найден у своего гнезда! Он летел домой через Атлантический океан, преодолевая по четыреста километров в день.

Рис. 40. Схема планетария и экспериментальной клетки. ? и ? — углы, определяющие поле зрения птицы с двух концов жердочки; направление, в котором повернута голова птицы, считалось направлением полета.

Этим невероятным подвигам предлагались самые разные объяснения: и то, что птицы могут чувствовать изменения теплового излучения или магнитного поля Земли, и то, что они способны улавливать изменения сил Кориолиса. Но рано или поздно все эти объяснения отвергались.

Тогда почему же не принять в качестве рабочей гипотезы предположение о существовании у птиц своего рода инстинктивной способности к навигации, возможно, даже похожей на применение человеком компаса, секстанта и хронометра?

В своих первых экспериментах Зауэры использовали круглую клетку со стеклянным верхом, так что славки могли видеть лишь круглый участок неба, находящийся под углом зрения примерно 70°, но не видели никаких наземных ориентиров. Способом, очень похожим на тот, который использовал Крамер в опытах со скворцами, Зауэры наблюдали за поведением славок в период их перелетного беспокойства.

Направления, выбиравшиеся птицами, всегда были очень характерными для определенного вида. Садовые и серые славки, а также славки-черноголовки осенью стремились на юго-запад. Именно в этом направлении они и совершают свои осенние перелеты: от Фрейбурга на юго-запад к Испании, далее к Гибралтару и через пролив в Африку.

А славки-завирушки летят из Фрейбурга на юго-восток через Балканы, а затем поворачивают на юг к долине Нила. В своих клетках они бились также в юго-восточном направлении. Причем не имело значения, была ли данная птица опытным навигатором, которого Зауэры изловили в кустарниках Фрейбурга, или она выросла в изолированной камере их птичника.

Приближая условия опытов к естественным, Зауэры обнаружили, что при ясном звездном небе славки иногда изменяли направление, привлеченные светом метеоров, зарниц или Луны. Если на небо набегали облака, движения птиц становились неуверенными, но, пока они могли видеть сквозь пелену облаков наиболее яркие из звезд, они продолжали указывать верное направление. Когда же облачность становилась настолько плотной, что звезды уже не были видны, птицы, беспомощно попорхав некоторое время, устраивались на ночлег. Подобная дезориентация наблюдалась и в тех случаях, когда эксперименты проводились в закрытом помещении, освещенном рассеянным или поляризованным светом.

На настоящем ночном небе Зауэры, естественно, не могли менять положение звезд по собственному желанию. Но это легко сделать в планетарии, и если славки будут принимать искусственное звездное небо за настоящее, их можно будет «перемещать» в любое место земного шара, не вывозя из Фрейбурга.

Вскоре Зауэры получили возможность воспользоваться цейссовским планетарием, с куполом, имевшим в диаметре шесть метров. Внутри планетария они поставили клетку с птицей и, как и раньше, вели наблюдения за направлением ее поворотов.

В типичном эксперименте, когда купол планетария освещался равномерно рассеянным светом, птица поворачивалась во все стороны, указывая случайные направления (рис. 41, А). Когда славке-черноголовке показали имитацию весеннего неба, она повернулась на северо-восток точно так же, как это бывает в естественных условиях (рис. 41, Б). Под осенним небом она повернулась на юго-запад, в сторону Испании (рис. 41, В). И наконец, славка-завирушка, как и ожидали, указала на юго-восток, на Балканы (рис. 41, Г).

Рис. 41. Ориентация птиц под искусственным звездным небом. Сплошная линия (С) показывает истинное направление на север, а пунктирная (С1) — направление на «север» в планетарии.

Но главным участником экспериментов в планетарии Зауэры сделали одну славку-завирушку. Осенью птицы этого вида, как уже говорилось, летят в двух последовательных направлениях: сначала из Центральной Европы на юго-восток через Балканы, а затем в южном направлении к верховьям Нила. Поэтому славка-завирушка представляла собой идеальный объект для экспериментов в планетарии, где можно было создать звездное небо, соответствующее широте и долготе любого места.

Завирушка, которую Зауэры использовали в этих экспериментах, была выращена ими из яйца. Она никогда не покидала клетки и, уж конечно, не летала в Африку. Поэтому ее поведение должно было быть абсолютно свободным от каких-либо влияний предшествующего опыта.

Зауэры поместили эту славку-завирушку в планетарий и установили картину неба, соответствующую 48° северной широты, то есть широте Фрейбурга. В подтверждение своих предыдущих наблюдений за другими птицами этого вида под открытым небом Зауэры увидели, что завирушка повернулась в юго-восточном направлении.

Рис. 42. Схема осенней миграции славок-завирушек, основанная на результатах экспериментов в планетарии. Большие стрелки соответствуют преимущественным направлениям естественного перелета, маленькие стрелки представляют собой направления, выбранные птицами в планетарии: заштрихованная зона примерно указывает известную зону зимовок.

Затем они стали менять положение звезд на небосводе планетария, чтобы у славки создалось впечатление ее постепенного перемещения все дальше и дальше к югу. Птица продолжала придерживаться юго-восточного направления, пока не «достигла» 40° северной широты. Теперь она начала менять курс на юго-юго-восток и приблизительно на широте 15° «полетела» прямо на юг. Птица, никогда не покидавшая своей клетки, указала направление, необходимое для перелета из Фрейбурга к верховьям Нила!

Представить себе, каким образом птица определяет широту своего местоположения, по-видимому, нетрудно. Штурман для этого измеряет высоту над горизонтом или направление на какую-то определенную звезду, например Полярную. Вполне вероятно, что и птица определяет широту своего местоположения аналогичным образом.

А как же насчет долготы? Если широту умели определять по положению солнца или звезд над горизонтом еще древние греки, то хронометр, пригодный для определения долготы, появился только в 1761 году. Штурман находит свою долготу сравнением местного времени, определяемого, например, по восходу солнца, с показаниями хронометра, поставленного по гринвичскому времени.

У птицы есть точные внутренние часы, но эти часы в отличие от хронометра обычно показывают местное время, соответствующее пункту ее пребывания. Естествен вопрос, как же птица по звездам узнает долготу своего местоположения?

Чтобы выяснить это, Зауэры поворачивали созвездия вокруг Полярной звезды в соответствии с видом ночного неба на разных долготах, и следовательно, в разных временных поясах, и наблюдали направление полета, избираемое различными видами славок.

Результаты этих экспериментов резко отличались от тех четких данных, которые Зауэры получили, изменяя картины неба, соответствующие разным широтам. На изменения долготы птицы реагировали очень неуверенно, и их поведение трудно было объяснить. Поскольку правильное направление к дому определила всего одна славка, результаты Зауэров посчитали малоубедительными.

В 1965 году К. Гоффман, известный специалист по поведению птиц, писал: «Чтобы выяснить состояние проблемы и более четко понять роль внутренних часов, необходимо, по-видимому, провести более разносторонние эксперименты в условиях планетария, включая и эксперименты с птицами, внутренние часы которых были бы (искусственно) переведены. Насколько мне известно, такие эксперименты не проводились».

До тех пор, пока биологи не выяснят, могут ли птицы воспринимать географическую долготу своего местоположения (и если могут, то как они пользуются этим для определения направления полета), наше понимание этого вопроса будет оставаться на уровне 1960 года.

13. Часы таракана

В июне 1960 года в Колд-Спринг-Харборе состоялся Международный симпозиум, посвященный биологическим часам, на который съехались сто пятьдесят ученых из самых разных стран. С трибуны этого симпозиума в числе прочих ученых рассказала о своей работе и Дженит Хар-кер, сотрудник Кембриджского университета.

Твердым и ясным голосом Харкер начала свой доклад: «Современные исследования проблемы циркадных ритмов можно разделить на три группы: биохимические и биофизические исследования регулирующего механизма на клеточном уровне, изучение поведения организма в целом и, наконец, физиологические исследования, цель которых состоит в том, чтобы выяснить, каким образом клеточная ритмичность проявляется в поведении всего организма. Благодаря этой последней группе исследований мы начинаем в какой-то мере представлять себе, насколько сложными могут быть эндогенные регулирующие системы. Так, например, среди изучаемых взаимосвязанных процессов встретились такие, которые сами никакой ритмичностью не обладают и тем не менее существенны для ритмичного функционирования определенных клеток. Это обстоятельство, по-видимому, заслуживает особого внимания, так как исследователи, работающие в двух других направлениях, могли его совсем не заметить.

Связь эндокринной системы с ритмом двигательной активности насекомых была впервые установлена на тараканах Periplaneta americana…».

Дженит Харкер родилась и выросла в Австралии. После окончания Сиднейского университета она переехала в Англию, сначала в Манчестерский университет, а затем в Кембридж.

Несмотря на большую загруженность преподавательскими и административными обязанностями, у Харкер хватало энергии заниматься и исследованиями биологических часов. После долгого чрезвычайно трудного подготовительного периода она разработала очень сложный метод, в основе которого лежали тончайшие хирургические операции, проводившиеся на тараканах.

Но почему она остановила свой выбор на Periplaneta americana, на самом обычном американском таракане, а не на каком-либо другом живом организме? Ведь легко наблюдаемыми ритмами обладают многие растения и животные.

Харкер выбрала таракана по ряду причин. Прежде всего, двигательная активность таракана очень точно приурочена к определенному времени. Это ночное животное, которое начинает двигаться почти сразу же после наступления темноты. При постоянном содержании в условиях чередования 12 часов света и 12 часов темноты тараканы начинают бегать уже через несколько минут после выключения света. Их двигательная активность достигает максимума примерно через два часа, а затем спустя три-четыре часа животные успокаиваются и пребывают в покое всю остальную часть периода темноты и 12-часовой период света.

Если тараканов содержать в течение нескольких дней при непрерывном освещении, их реакция ничем не будет отличаться от того, что двумя столетиями ранее наблюдал у чувствительных растений де Мэран. Тараканы знают, когда должна была бы наступить темнота, и начинают бегать, хотя свет остается включенным. Лишь после продолжительного периода непрерывного освещения они постепенно теряют чувство времени и проявляют активность в совершенно неопределенное время. Поскольку такая двигательная активность может служить в качестве удобно наблюдаемых «стрелок» внутренних часов, таракан представляет собой исключительно подходящее для изучения ритмов животное. Он точно соблюдает 24-часовой цикл двигательной активности, сохраняет эту активность в течение нескольких дней при нарушении условий освещения и медленно утрачивает свой ритм при длительном непрерывном освещении (становится «аритмичным»).

Как подопытное животное таракан хорош еще и по другим причинам. Он легко переносит лабораторные условия жизни; имеет достаточно большие размеры; неприхотлив в еде — может питаться практически чем угодно. И наконец, он является одним из примитивных ныне живущих крылатых насекомых. Отдельные части его относительно слабо развитой центральной нервной системы обладают значительной автономией. Обезглавленный таракан может прожить несколько дней. Он, конечно, не видит, не ест, запасы его энергии постепенно расходуются, но он продолжает бегать, спариваться, представляя таким образом, весьма любопытный объект для тех, кого интересуют различные аспекты его «безголового поведения».

Таково существо, на котором Харкер сделала свое первое открытие — определила точное местоположение живых часов. Давайте послушаем, что она сама говорит о своем открытии:

«Из ранее проведенных мною экспериментов, — объясняет она, — я знала, что ритм двигательной активности таракана зависит от присутствия в крови или тканях животного некоторого секрета. Задача сводилась к тому, чтобы проследить, откуда поступает этот секрет. Удаляя один за другим все известные эндокринные органы и проверяя, не остановятся ли при этом часы, я наконец — после года напряженной работы — выявила источник секрета. Им оказался подглоточный ганглий».

Все насекомые имеют два «мозга»-ганглия, состоящих из комочка нервных клеток. Один из них находится в над-ротовой части головы, а второй лежит под пищеводом, потому и называется «подглоточным» ганглием. Он-то как раз и управляет самым непосредственным образом активностью насекомого[16]. Размер этого органа с булавочную головку, поэтому удалить его можно только под микроскопом.

Рис. 43. Поперечный разрез подглоточного ганглия таракана. Видны четыре нейросекреторные клетки (1), связанные с ритмом двигательной активности.

«Я потратила почти три года на прижигание мельчайших участков подглоточного ганглия высокочастотным каутером, пока не нашла наконец четыре нейросекреторных клетки, которые играют важную роль в поддержании ритма двигательной активности[17].

Поскольку эндокринные органы можно пересаживать в кровоток других тараканов, я смогла убедиться, что эти клетки действительно ответственны за выделение гормона в определенные промежутки времени. Сохранение тараканами ритмики не зависело от целостности нервных связей».

Теперь она знала, где находятся у таракана его часы. Но что заставляет их работать? Можно ли приписать этим клеткам роль механизма, регулирующего ход ритма?

Один из способов узнать, как работает тот или иной механизм, заключается в том, чтобы разрегулировать его и посмотреть, что из этого выйдет. Но живые часы трудно разрегулировать. Необходимо найти физиологический способ нарушения их ритма.

Оставалось подвергнуть животное одновременному действию двух часов, не совпадающих друг с другом по фазе. Это должно было, по мнению Харкер, оказать на животное такое действие, как если бы его часы заработали неверно. Эксперимент был исключительно долгим, и проводился в три этапа.

Сначала надо было выяснить, будут ли работать пересаженные часы, и если да, то будет ли новый хозяин реагировать на время, указываемое ими. Иными словами, можно ли восстановить чувство времени у аритмичного таракана с помощью часов, пересаженных из организма ритмически активного таракана?

С этой целью Харкер соединила двух тараканов, поместив одного из них на другом. Нижний, аритмичный таракан мог двигаться совершенно свободно. У верхнего, с четким нормальным суточным ритмом, Харкер удалила ноги, кроме того, она так закрепила его тело, чтобы оно оставалось совершенно неподвижным. Взаимосвязь между насекомыми была возможна только через кровоток. В этих условиях нижний таракан немедленно принял ритм верхнего и начал бегать по его расписанию; следовательно, он отвечал на сигналы, поступающие в его организм через кровоток.

На следующем этапе исследований Харкер пересаживала в брюшко аритмичного обезглавленного таракана подглоточный ганглий нормального насекомого. Активность животного с пересаженным ганглием становилась ритмичной, этот ритм по фазе соответствовал ритму таракана-донора и сохранялся в течение нескольких дней. Таким образом, стало совершенно ясно, что даже нарушение нервных связей в организме таракана не мешает нейросекреторным клеткам подглоточного ганглия секретировать в определенном ритме.

Заключительный этап эксперимента состоял в том, чтобы полностью вывести из равновесия часовой механизм насекомого. Но прежде попытаемся разобраться в следующем. Если тараканов поместить в обратный цикл суточного чередования света и темноты, они в конце концов заучивают его и начинают бегать на рассвете, когда свет выключают, и успокаиваются вечером, когда его включают. Иначе говоря, в Англии они бегают по новозеландскому времени. Поэтому для того, чтобы подвергнуть одно животное действию сразу двух часов, расходящихся по фазе, логично пересадить нейросекреторные клетки новозеландских тараканов кембриджским.

Но сначала Харкер должна была выполнить обычный контрольный эксперимент. Можно ли вообще пересадить единичные клетки одного таракана другому? Харкер сделала это, естественно, сначала на тараканах с нормальным циклом суточной активности, обнаружив при этом, что проведенная ею операция не причиняла им вреда. С донорскими часами, которые работали так же, как их собственные, насекомые вели себя нормально.

Наступило время для решающего эксперимента. Харкер взяла нормальных, кембриджских тараканов и пересадила им «часовые» клетки от тараканов, которые были активны по новозеландскому времени. Что же случилось с насекомыми? Одни клетки говорили сбитым с толку животным, что сейчас день, а другие утверждали, что наступила ночь. Тараканы подверглись настолько сильному внутреннему потрясению, что у них катастрофически быстро развились опухоли в кишечнике и они погибли.

Почему двое часов, работающих вразнобой, вызвали столь сильное потрясение в организме животных? Почему такой стресс привел к развитию опухолей? И это ли было причиной их возникновения? Если события следуют одно за другим, это вовсе не значит, что одно из них является следствием другого. Проблема установления причинных связей является одной из наиболее трудных в биологии. А получить полный ответ на то, что происходит в организме при сбившихся с ритма часах, еще труднее, поскольку нужны аналогичные эксперименты с другими животными. Но этого пока сделать нельзя, поскольку ни в каком другом животном, кроме таракана, местоположение часов еще не обнаружено. Правда, по мнению Харкер, несколько ученых, работающих с млекопитающими, уже подошли к успешному разрешению этой задачи.

Делая обзор работы Харкер, Клаудсли-Томпсон сказал: «(Ее) наблюдения за тем, как у нормальных тараканов развиваются опухоли средней кишки после пересадки им подглоточных ганглиев от насекомых, содержавшихся при обращенном режиме освещения, могут оказаться крайне важными для изучения болезней, которые возникают у человека в стрессовых ситуациях».

Овация, которую устроили Дженит Харкер участники симпозиума в Колд-Спринг-Харборе, была не единственной реакцией ученых на ее работу. Вполне естественно, что многие биологи в самых разных странах мира попытались воспроизвести ее результаты. Но это удалось далеко не всем, поэтому среди них нашлись и такие, которые поставили под сомнение достоверность ее данных. Харкер ответила тем, что, повторив свои эксперименты, воспроизвела прежние результаты.

Вот как оценивает исследования Дженит Харкер биолог Е. Мак-Робби, хорошо знакомая с ее многолетней работой:

Методы, которыми пользовались некоторые ученые, пытавшиеся воспроизвести ее работу, были слишком грубыми. Эти операции чрезвычайно тонки, они требуют хороших рук и большой практики. Бесполезно после нескольких пробных операций решать, что ничего не получится, — для отработки техники выполнения таких операций нужна постоянная тренировка на большом числе животных. Только после того, как техника освоена, операции идут успешно и животные выживают. Мне, например, известно, что в одной из попыток воспроизвести эту операцию просто игнорировали то обстоятельство, что очень близко к ганглию подходит — слюнной проток. При извлечении подглоточного ганглия проток перерезали, и из него высвобождались сильно действующие ферменты, которые разрушали клетки ганглия. Поэтому нет ничего удивительного в том, что эти попытки привели к отрицательным результатам.

Ну а что касается статистической достоверности, то по самой своей природе эксперимент с пересадкой органов отвечает либо «да», либо «нет». Уже сам положительный исход является однозначным ответом.

Наверняка пройдет еще немало времени, прежде чем биологи полностью примут и эту часть исследований Харкер. Однако, если мы правильно представляем себе общий ход развития науки, ее работа получит высокую оценку.

14. Одноклеточные часы

В конце пятидесятых годов в Скриппсовском институте океанографии профессор Беатрис Суини определила уровень обмена веществ единичного растения. Объем выделяемого им газа составлял всего миллионные доли миллилитра!

Какую цель ставила перед собой Суини, стремясь измерить объем кислорода, выделяемый одноклеточным растительным организмом? Обычно суточные ритмы измеряют для множества клеток одновременно: либо на многоклеточных растениях или животных, либо в популяциях одноклеточных организмов. Суини же хотела выяснить, совпадает ли ритм единичного одноклеточного организма с ритмом целой популяции, состоящей из очень большого числа таких организмов. Это могло бы стать первым этапом обширной программы исследований, нацеленной на более глубокое проникновение в тайну внутреннего механизма живых часов.

Выбор Суини определялся несколькими исходными условиями. Во-первых, как ботаник, она, естественно, стремилась работать с растительным организмом. Во-вторых, ее интересовала физиология биологических часов, и поэтому ей нужно было такое растение, физиологическая активность которого была бы четко связана со временем. Иначе говоря, Суини хотела ясно видеть «стрелки» живых часов. Кроме того, ей нужен был организм, физиологические реакции которого были бы обусловлены достаточно хорошо изученными биохимическими процессами. И конечно, организм этот должен был быть удобным для работы, то есть доступным и легко культивируемым в лабораторных условиях.

Рис. 44. Одноклеточная водоросль Gonyaulax polyedra, увеличенная приблизительно в 1000 раз.

Изучить ритмичность одиночной клетки — вот самый прямой путь для решения поставленной ею задачи. Подходящим объектом для этой цели оказалась одноклеточная морская водоросль Gonyaulax polyedra, относящаяся к классу динофлагеллят. Свечение тропических морей в первую очередь обусловлено водорослями Gonyaulax. Они имеют в диаметре около 0,05 миллиметра, то есть едва различимы невооруженным глазом.

Это одноклеточное растение оказалось очень интересным для исследования ритмичности поведения, поскольку оно обнаруживает несколько проявлений ритмической активности: ритм люминесценции, ритм клеточного деления и суточный ритм фотосинтеза. Таким образом, требование, предъявляемое Суини к объекту исследований, оказалось выполненным: у живых часов Gonyaulax ясно видимых «стрелок» было предостаточно.

Налицо была и зависимость работы часов от хорошо изученных биохимических реакций. Люминесценция таких организмов, как Gonyaulax, обусловлена ферментативными реакциями, поскольку испускающая свет система состоит из самого фермента (люцифсразы) и субстрата, или вещества, с которым реагирует фермент (люцифе-рина). (Несмотря на очень большой объем литературы по биолюминесценции, истинная природа люциферина и люциферазы в клетках Gonyaulax еще не выявлена.)

Итак, для исследования ритмичности Суини выбрала Gonyaulax.

Рис. 45. Рисунок, выполненный по электронно-микроскопической фотографии среза клетки Gonyaulax.

Давно известно, что в условиях непрерывного освещения ярким светом многие биологические ритмы постепенно исчезают. Бюннинг показал это на примере суточного движения листьев еще в 1931 году. Листья растения фасоли, привыкшего к нормальному чередованию дня и ночи, просто переставали двигаться, когда его переводили в условия непрерывного яркого освещения. Тщательные лабораторные наблюдения над многими ритмами других организмов дали те же результаты. То же самое показала и культура Gonyaulax: если суспензию клеток долго освещать ярким светом, все ритмы исчезают, хотя растения продолжают размножаться.

Чем же определяется такое поведение? Значит ли это, что каждая из клеток в популяции теряет свой ритм, или нарушается синхронность между клетками, все еще сохраняющими ритмичность функционирования? Быть может, индивидуальные ритмы расходятся по фазе настолько сильно, что начинают гасить друг друга?

Рис. 46. Игрушка «ныряльщик».

Чтобы ответить на этот вопрос, нужно было выяснить, сохраняет ли ритм отдельная клетка в условиях непрерывного яркого освещения. Но какой ритм вообще сохраняется в подобных условиях? Люминесценцию яркий свет подавляет. Нарушается и ритм клеточного деления: клетки, выращенные на ярком свету, делятся не через строго определенные интервалы времени. Единственная возможность обнаружить на ярком свету ритм у одиночной клетки — это изучить ее фотосинтез. Более ранними экспериментами было показано, что суспензия клеток Gonyaulax в условиях чередования света и темноты обнаруживает четкий суточный ритм фотосинтеза. За его изменением можно следить, измеряя объем кислорода, выделяемого культурой в течение дня. Сделать это непросто, поскольку количество кислорода, выделяемое даже тысячами клеток Gonyaulax, чрезвычайно мало. Измерить его можно только с помощью очень точных приборов. Микрореспирометр соответствующей чувствительности был разработан Сколендером с сотрудниками. В нем используется поплавковый респирометр, в котором объем пузырька газа поддерживается постоянным.

Чтобы понять принцип действия такого респирометра, вспомним игрушку «ныряльщик». Она была придумана Рене Декартом в XVII веке и основана на том принципе, что каждый плавающий предмет вытесняет количество воды, равное его весу. Ныряльщик представляет собой стеклянную трубочку с небольшим пузырьком газа у запаянного конца. Трубочка ровно настолько заполнена водой, чтобы ныряльщик мог свободно плавать в сосуде с водой. Отверстие сосуда затянуто резиновой пленкой. Когда палец касается пленки, воздух в пузырьке сжимается, внутрь ныряльщика попадает несколько большее количество воды и он тонет. Если палец убрать, воздух снова расширяется и ныряльщик всплывает.

С помощью изящного усовершенствования Суини приспособила поплавковый респирометр для измерения объема кислорода, выделяемого одной-единственной клеткой Gonyaulax.

Вместо стеклянного ныряльщика Суини использовала тончайший капилляр, сделанный из пластика. Один конец капилляра запаивался, другой оставался открытым; в просвете капилляра сохранялось некоторое количество воздуха. При нормальном давлении пластиковый поплавок лежал на дне пробирки с культуральной жидкостью.

Рис. 47. Поплавковый респирометр для измерения выделения кислорода одиночной клеткой Gonyaulax. Вверху слева — полная схема аппарата, показывающая регулировку давления, измерительную систему, бинокулярный микроскоп, направленный на трубку, содержащую поплавок и одиночную клетку Вверху справа — тонкая стеклянная трубка (диаметром 0,1 мм) с культуральной средой, поплавком и одиночной клеткой (при большом увеличении). Внизу — заключенный в капилляре воздух при снижении давления расширяется и, образуя пузырек, поднимает поплавок.

Если давление над раствором понижалось, воздух, находящийся в капилляре, расширялся, образуя на конце поплавка крошечный пузырек. При дальнейшем снижении давления размер пузырька увеличивался и поплавок медленно всплывал. Регулируя давление газа над поверхностью культуральной жидкости, можно удерживать поплавок на определенной высоте.

Теперь уже определить объем кислорода, выделяемого одиночной клеткой, не представляло особого труда. В небольшую пробирку вместе с поплавком помещалась одна клетка Gonyaulax. Выделяемый клеткой кислород увеличивал давление над раствором, сжимал пузырек воздуха, выступающий из поплавка, и поплавок тонул. Снижая давление с помощью дополнительной регулирующей системы, Суини могла компенсировать увеличение давления кислорода и удерживать поплавок на исходной высоте. Таким образом, по изменению давления, которое определялось ртутным манометром, Суини измеряла количество кислорода, выделенного клеткой Gonyaulax.

О сложности этого эксперимента говорит следующее. Суини, регулируя давление в сосуде, должна была удерживать поплавок точно на уровне линии, отмеченной в окуляре микроскопа, через который она вела свои наблюдения. А поскольку при изменении температуры все газы либо расширяются, либо сжимаются, пробирка с клеткой и поплавком помещалась в сосуд с водой, температура которой поддерживалась на постоянном уровне (с точностью до 0,03 °C).

Располагая микрореспирометром и отработав методику, Суини уже могла приступить к изучению интересующего ее вопроса — сохраняют ли одиночные клетки те же ритмы, которые свойственны популяции в целом.

С этой целью клетки Gonyaulax выращивались в условиях чередования 12 часов света и 12 часов темноты. Суини предполагала, что фотосинтетическая активность одиночной клетки будет увеличиваться сразу после рассвета, доходить до некоторого максимума к полудню и снижаться по мере наступления сумерек. Эксперименты полностью подтвердили ее предположения. Но в ходе экспериментов исследовательница столкнулась с неожиданным осложнением — ни в одной из клеток фотосинтез не продолжался более 14 часов. Суини пыталась продлить жизнь клетки, добавляя антибиотики, но это не помогло.

И чтобы охватить измерениями весь 24-часовой период, Суини начинала опыты в разное время суток: на рассвете, через час после рассвета, через два часа после рассвета и так далее, всякий раз наблюдая за клеткой на протяжении 14 часов.

Данные фотосинтетической активности отдельных клеток, полученные в последовательных экспериментах, откладывались на графике, и выводилась суммарная кривая. Она отражала типичный суточный ритм фотосинтетической активности одиночной клетки Gonyaulax, в существовании которого Суини не сомневалась. На рассвете клетка выделяла около двух миллионных долей миллилитра кислорода в час. Через 5 часов это количество увеличивалось почти вдвое, через 14 часов оно снижалось опять до исходного. После достижения этого минимального уровня оно вновь начинало подниматься. Таким образом, эксперимент подтвердил правильную суточную периодичность фотосинтеза у одиночных клеток Gonyaulax.

Теперь можно было переходить к основному эксперименту. Суини вырастила при постоянном ярком освещении новую культуру клеток. И, поместив одиночные клетки из этой культуры в респирометр, вернулась к своим наблюдениям за уровнем поплавка.

Как будет теперь изменяться фотосинтетическая активность? Утратят ли одиночные клетки свой ритм? Будут ли случайные изменения во многих отдельных ритмах взаимно уничтожать, гасить друг друга, так что суммарный эффект популяции не покажет никакой ритмичности.

Огромное количество наблюдений, выполненных Суини, убедительно показало, что клетки в условиях непрерывного освещения ярким светом полностью утрачивают свой ритм. Никакого периодического изменения количества выделенного кислорода не обнаружилось: на рассвете оно составило две миллионных миллилитра в час, как и у клеток, содержавшихся в режиме чередования света и темноты, и больше не увеличивалось, а оставалось на этом уровне в течение 16 и более часов.

Так был получен ответ на первый вопрос Суини. Популяция клеток Gonyaulax polyedra, содержащаяся в условиях непрерывного освещения ярким светом, теряет ритм фотосинтеза, и это исчезновение видимых ритмов отражает не потерю синхронности, а потерю ритма каждой клеткой в отдельности.

15. Таинственные регуляторы времени

Фрэнк А. Браун, профессор биологии Северо-западного университета, занимает позицию, диаметрально противоположную позиции большинства ученых, изучающих биологические ритмы.

После получения степени доктора зоологических наук в Гарвардском университете Браун работал некоторое время в научно-исследовательском биологическом центре на Бермудских островах. Там он впервые непосредственно наблюдал два совершенно удивительных примера биологических ритмов: появление с точной месячной периодичностью стай бермудской креветки и скоплений атлантического светящегося червя. Самым замечательным в этих явлениях была их приуроченность к определенным фазам Луны. Таким образом, сама природа этих ритмов существенно отличалась от суточных или околосуточных ритмов, которые владели мыслями большинства исследователей.

После пребывания на Бермудских островах Браун еще несколько лет занимался изучением эндокринной системы ракообразных, но мысли о загадочности биологических ритмов не оставляли его. В конце концов он целиком переключился на исследование зависимости биологических ритмов от периодических изменений геофизических параметров.

Целью самого первого из поставленных им экспериментов было выявление зависимости ритмов у животных от температуры. Результаты аналогичных исследований Дж. Уэлша из Гарвардского университета и О. Парка из Университета штата Иллинойс вызывали у Брауна большие сомнения. По данным этих исследователей, свойственные организмам (различным ракообразным и насекомым) ритмы сохраняются при переносе животных из естественной внешней среды в условия постоянной температуры.

Браун предложил своей сотруднице М. Уэбб проверить результаты Уэлша и Парка. Животным, которое они избрали для экспериментов, был маленький манящий краб Uca. Тысячи особей этого краба повсюду копошатся на прибрежных отмелях, издавая звук, напоминающий шелест бумаги. В обычных условиях Uca обнаруживает регулярное ритмическое изменение своей окраски. Днем он темнеет, а ночью становится светлым. Степень изменения его окраски можно измерить обычными лабораторными методами.

Браун и Уэбб начали с гипотезы, что крабы должны подчиняться правилу Вант-Гоффа, согласно которому при повышении температуры скорость химической реакции непременно увеличивается, а при снижении — замедляется. Если это так, то частота ритмического изменения окраски крабов должна удваиваться, утраиваться и т. д. при повышении температуры на каждые 10 °C или соответственно снижаться при аналогичном снижении температуры.

Исследователи проверяли ритмы большой популяции крабов, выдерживаемых в течение длительного периода времени при 16 °C. Сначала крабов содержали в условиях нормального чередования дня и ночи, а затем — в постоянной темноте. Температура в обоих случаях была одной и той же. Как и следовало ожидать, ритмы в условиях непрерывной темноты сохранялись, но удивляла точность, с которой крабы выдерживали 24-часовой цикл изменения окраски.

«Выбор манящего краба в качестве экспериментального объекта оказался для нас столь же удачным, как для Менделя выбор растений гороха в его экспериментах по изучению механизмов наследственности, — писал Браун. — Ритм этого краба не является циркадным, то есть близким к 24 часам. Он равен 24 часам, то есть имеет строго суточную периодичность».

После этого Браун и Уэбб повысили температуру содержания крабов с 16 до 26 °C. Увеличится ли теперь в соответствии с правилом Вант-Гоффа скорость изменения их окраски? Затаив дыхание, записывали они одно измерение за другим, но никаких изменений в длительности периода обнаружить не смогли. Он точно сохранял свой 24-часовой цикл. Правда, густота окраски крабов с повышением температуры увеличивалась, но ритм оставался прежним. Потом они снизили температуру до 6 °C, но ритм тем не менее сохранил точную 24-часовую периодичность.

Предвидя критические замечания (измерения проводились при слабом освещении), Браун поставил контрольные опыты, которые показали, что ритм изменения окраски крабов при той же температуре в условиях полной темноты абсолютно синхронен с ритмом животных экспериментальной группы.

Поскольку при измерении окраски могли вкрасться отдельные ошибки, Браун и Уэбб статистически обработали полученные данные, но не выявили никаких отклонений от 24-часовой периодичности цикла.

Помимо поразительно точного 24-часового ритма изменения окраски, Браун и Уэбб обнаружили у манящего краба еще один ритм — ритм двигательной активности, но связанный с Луной, а не с Солнцем. Во время отлива крабы спускаются к воде и обследуют отмель в поисках пищи, во время прилива наоборот — поднимаются выше по берегу и отдыхают. За исключением некоторых местных отклонений приливы чередуются в соответствии с лунными сутками, составляющими 24 часа 50 минут, так что манящие крабы живут и по лунным часам.

Сохранят ли крабы этот свой распорядок в постоянных условиях лаборатории? Результаты тщательно контролируемого эксперимента показали, что крабы сохраняют этот ритм и в постоянных условиях.

Ответ на один вопрос немедленно поставил перед исследователем несколько других. Что будет, если какое-нибудь существо, жизнедеятельность которого связана с приливами и, следовательно, с фазами Луны, перенести в другое место, где время приливов (если бы они там происходили) заметно отличается от привычного для него?

Сохранится ли у этого существа такой ритм, которому оно следовало на родном берегу, или он сдвинется во времени?

Поскольку лето Браун обычно проводил в Морской биологической лаборатории Вудс-Холла, он легко мог заполучить любое нужное ему существо, поведение которого зависело бы от ритма приливов. Он выбрал устрицу: ей свойствен четко выраженный приливной ритм, и кроме того, за ней удобно наблюдать, поскольку она не бегает по берегу, как краб.

Результаты этого эксперимента были изложены следующим образом:

Устрицы, собранные на отмели в Нью-Хейвене (штат Коннектикут), были перевезены в темном резервуаре в Эванстон (штат Иллинойс). Там их положили в лотки с морской водой и поставили в темную комнату. Первые дни они продолжали максимально раскрывать свои раковины во время наивысшей фазы прилива в Нью-Хейвене. Однако к концу второй недели устрицы изменили свой ритм и стали максимально открывать раковины, когда Луна находилась в зените и надире для Эванстона. Вновь установившееся расписание они сохраняли целый месяц, в течение которого велись эти исследования. Положения Луны в зените и надире — противостоящие положения Луны — соответствуют периодам наибольшего приливного воздействия Луны, которое проявляется в максимальных атмосферных приливах в Эванстоне. Этот же гравитационный эффект определял бы здесь максимальную высоту и океанских приливов, если бы Эванстон находился на берегу моря.

И вновь результаты этого эксперимента послужили для Брауна источником новых проблем. Являются ли так называемые постоянные условия, при которых они изучают организмы, действительно постоянными? Если они непостоянны, если на организм воздействует какой-то периодически изменяющийся неизвестный фактор, то какие ритмы возникают при этом?

О природе этого неизвестного пока еще фактора можно было бы сделать по крайней мере несколько предположений. Обратимся к факторам, связанным с окружающей организм средой, то есть к факторам, цикличность изменения которых может определяться периодичностью влияний окружающей среды. К таким очевидным влияниям можно отнести суточные, лунно-приливные, лунные и годовые циклы. Удивительно, что биологическое действие большинства этих циклов никогда подробно не исследовалось. Решение восполнить этот пробел привело Брауна к длиннейшей серии экспериментов, которые заняли у него более десяти лет и были выполнены на одном-единствен-ном организме — картофеле.

Почему Браун выбрал именно картофель? По целому ряду причин. Прежде всего, ему хотелось изучать ритм такого физиологического процесса, который был бы общим для всех живых организмов; не изменение окраски краба или открывание створок устричных раковин, а процесс, свойственный всем животным и растениям. Кроме того, он хотел найти организм, который считался бы неинтересным с точки зрения ритмической активности. Если бы удалось показать, что даже такой организм обладает ритмами, тогда существование аналогичных ритмов в более активных с этой точки зрения организмах было бы несомненно вероятнее. Картофель удовлетворял обоим требованиям.

Одним из показателей физиологической активности картофеля (как, впрочем, и любого другого организма) является уровень обмена веществ. Браун проводил свои эксперименты в условиях постоянной темноты, так что фотосинтез исключался, а обмен ограничивался очень медленным окислением, которое сопровождается поглощением кислорода.

В качестве экспериментального материала он использовал вырезанные из клубня картофеля короткие цилиндрики с одиночным глазком сверху. В темноте из этого глазка развивались бледные болезненные ростки, но, поскольку цилиндрик содержал большой запас питательных веществ, жизнь такого ростка какое-то время поддерживалась даже в герметически закрытом контейнере.

Если Суини измеряла объем кислорода, выделяемого при фотосинтезе, то Браун измерял объем кислорода, поглощаемого при дыхании. И в том и в другом случае дело касалось ничтожно малого количества кислорода. Приходилось вести утомительно долгие наблюдения за еле заметными изменениями показаний очень чувствительных приборов.

Рис. 48. Уровень обмена веществ картофеля, заключенного в герметически закрытые контейнеры, и кривая изменения атмосферного давления в те же дни.

Преодолев все трудности эксперимента, Браун открыл поистине удивительные ритмы. Помимо ожидаемого строго 24-часового ритма обмена веществ, он обнаружил нерегулярные колебания, связанные с изменениями атмосферного давления. Более того, оказалось, что кусочки картофельных клубней могут на два дня опережать показания барометра, даже тогда, когда находятся в герметически закрытых контейнерах!

Чтобы прийти к такому заключению, ему приходилось изо дня в день следить за скоростью обмена веществ у картофеля по объему поглощаемого кислорода, а затем сравнивать изменения в скорости обмена с изменениями атмосферного давления.

Вот как он сам пишет об этом:

«Результаты месячного изучения ритма обмена веществ картофеля представлены на рис. 48. Обратите внимание на то, что картофель изменяет скорость своего обмена веществ обратно пропорционально изменению атмосферного давления (нижняя кривая), но опережая его в среднем на два дня. И действительно, все живые организмы, изучавшиеся в нашей лаборатории в течение последних трех лет, — от морских водорослей до крыс — обнаружили способность предсказывать изменение атмосферного давления обычно на два дня вперед».

Кроме того, Браун установил четкую зависимость между уровнем обмена веществ и временем месяца или года. Измерив скорость обмена веществ у манящего краба, он показал, что суточный ритм животного меняется обратно пропорционально интенсивности падающих на Землю космических лучей.

Поистине удивительные вещи открыл Браун в этой дотоле неизведанной области!

Эксперименты Брауна позволили ему предположить, что на биологические ритмы воздействует какой-то геофизический фактор. Подозрение, естественно, пало на магнитное поле Земли. Брауну удалось показать, что морские улитки Nassarius могут воспринимать изменения даже такого слабого магнитного поля, как магнитное поле Земли. Вот как пишет об этом М. Гокелен, долгие годы изучавший зависимость между космическими и биологическими явлениями.

Наблюдения проводились над относительно быстро ползающей улиткой Nassarius obsoleta, обитающей на топких берегах Новой Англии. Постановка эксперимента была простой, но оригинальной. Улиток помещали в специальный садок с двухсантиметровым слоем воды, из которого они могли выползать лишь через узкую горловину и только по одной. Выход всегда был направлен к южному магнитному полюсу. Выползали они на круглую площадку, лишенную каких-либо ориентиров и поделенную на секторы. Было прослежено за выходом 33 000 улиток. Одни из них поворачивали влево, другие — вправо, третьи двигались прямо. Когда исследователи провели статистический анализ выбора улитками направления, они обнаружили, что это направление определенным образом связано со временем суток. Ранним утром моллюски ползли преимущественно прямо, в другое время суток, как правило, влево. Некоторые составляющие магнитного поля Земли также изменяются в течение дня. Продолжая свои эксперименты летом 1959 года, Браун и его сотрудники открыли, что ритм ориентации моллюсков зависит также от фазы лунного месяца.

И хотя Браун ничего не сообщил о влиянии колебаний магнитного поля Земли на временные параметры поведения улиток или какого-либо другого организма, он совершенно четко показал, что улитки чувствуют такие поля. Если это так, то они могут воспринимать действие и каких-то других, пока еще не открытых геофизических факторов.

Рис. 49. Направление пути улитки Nassarius зависит от положения Солнца или Луны. Если увеличить силу магнитного поля, в котором находится улитка, кривизна ее пути увеличивается. Изменение направления ее движения показано стрелками.

Как же узнать об их существовании? И какие эксперименты позволят выяснить природу этих факторов?

Логичнее всего найти среду, в которой влияние таких факторов отсутствовало бы. А что, если, подобно тому как де Мэран изолировал свои чувствительные растения от света, поместив их в темную комнату, изолировать кусочки клубней от факторов, действующих в условиях земного окружения, отправив их на околоземную орбиту или, еще лучше, в далекий космос?

Блестящая мысль! А как же получить тогда информацию о ритмах картофеля, например о ритме его общего обмена? Ведь тогда потребуется респирометр с устройством, посылающим на Землю радиосигналы. Передача радиосигнала не представляет затруднений, а вот с респирометром дело обстоит гораздо хуже. Для исследований в условиях невесомости необходим респирометр, работа которого была бы основана на совершенно новом принципе.

Как Браун оценивает современное состояние проблемы живых часов?

«Прежде всего, — говорит он, — нужно признать, что в последние годы открыто слишком много явлений, чтобы все их можно было объяснить одним только внутренним ритмом.

Вполне возможно, что наступит время, когда мы сможем установить существование автономных временных механизмов, соответствующих некоторым или всем кален-дарно-часовым периодам. И все же время, когда наблюдаемые свойства биологических ритмов можно было объяснить исключительно за счет эндогенных механизмов, определенно миновало. Данные, которыми мы располагаем, приводят нас к выводу, что регуляция солнечно-лунных часов жизни имеет двойственную природу, то есть зависит от регуляторов и внутренних и проникающих извне».

Такую точку зрения разделяют далеко не все современные биологи, и Фрэнк Браун это прекрасно понимает.

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:

Я думаю, что смогу предложить экспериментальный подход, который, возможно, даст ответ на обсуждаемый вопрос. Около трех лет назад у одного из моих учеников, доктора Финна, и у меня возникла идея, что вращение Земли вокруг своей оси можно рассматривать как меняющийся фактор внешней среды. Если бы организм каким-то образом мог воспринять или измерить вращение Земли, он имел бы очень точные часы. Например, допустим, что организм постоянно подвергается действию излучения, испускаемого из определенной точки космического пространства. Из-за вращения Земли направление на источник этого излучения будет все время изменяться. Таким образом, измеряя направление излучения по отношению к направлению силы тяжести, организм мог бы точно судить о времени.

Я говорю об излучении в качестве примера, а вовсе не предполагаю, что оно действительно испускается из какой-то точки пространства. Опираясь на такой постулат, мы поставили предварительные эксперименты, в которых растения располагали горизонтально и вращали таким образом, что направление силы тяжести по отношению к растению постоянно менялось, то есть сила тяжести по существу исключалась как неизменный фактор. Наши предварительные результаты показывают, что такие растения, по-видимому, теряют свою способность чувствовать время, поскольку ритмические движения листьев сейчас же исчезают. Конечно, на основании этих предварительных результатов нельзя еще делать окончательные выводы.

В январе 1960 года мы представили Национальному научному фонду проект, который предусматривал проведение работ в районе Южного полюса Земли. Предполагается поместить на вращающийся стол около полюса организмы, обладающие эндогенными ритмами. Стол должен вращаться со скоростью один оборот за 24 часа в сторону, противоположную вращению Земли, так что организмы будут оставаться в строго фиксированном положении в пространстве. Кроме того, в полярных районах нет суточных изменений в окружающей среде, что исключает влияние вращения Земли как возможного указателя времени. Если организмы потеряют свое чувство времени, это будет служить доказательством того, что они каким-то образом «осведомлены» о вращении Земли. Если же ритмы у этих организмов не изменятся, то это будет означать, что организмы не чувствуют земного вращения и что часы, вероятно, контролируются каким-то эндогенным механизмом. Такие столики можно вращать с различными скоростями как в сторону вращения Земли, так и в противоположную. Мне кажется, что такие эксперименты сыграли бы решающую роль в нашем понимании биологических часов.

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:

Планируя опыты в Антарктиде, можно было ожидать один из трех возможных результатов: 1) все внешние проявления ритмичности прекратятся; 2) частота ритмов изменится вследствие вращения столов; 3) суточные ритмы подопытных организмов не изменятся ни от перемещения их на полюс, ни от вращения их там. Все наши данные однозначно подтвердили третье предположение. На основании этих данных можно утверждать, что внешние суточные изменения, связанные с вращением Земли, не оказывают заметного влияния на основной механизм… биологических часов. И хотя биологические часы, возможно, и регулируются какими-то периодически поступающими из внешней среды стимулами, они не зависят от факторов, связанных с вращением Земли. Результаты наших экспериментов не дают никакой информации относительно истинной природы биологических часов, кроме того, что свидетельствуют против гипотезы, предполагающей, что регулировка биологических часов определяется геофизическими факторами.

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.

17. Часы и нуклеиновые кислоты

Толковый словарь определяет «творческое мышление» как переосмысливание предшествующего опыта для создания новых «образов», подводящих к решению той или иной проблемы. Прекрасный пример тому являет собой работа Эрета.

В 1948 году, окончив Парижский университет, Чарлз Эрет стал работать в Аргоннской лаборатории при Комиссии по атомной энергии США. Стремясь достигнуть более глубокого понимания бесконечно разнообразных процессов, протекающих внутри живой клетки, Эрет обратился к физиологии клетки и, естественно, сразу же познакомился с клеточными ритмами. Он разделял мнение большинства биологов, что способность измерять время является необходимым условием выживания организма.

Чтобы выяснить принцип, лежащий в основе действия живых часов, Эрет попытался представить себе их возможную форму. Логический подход к решению этой задачи, по мнению Эрета, должен был состоять в том, чтобы изучить все типы приборов, которые веками создавал человек для измерения времени, и посмотреть, не найдется ли среди них чего-нибудь хотя бы отдаленно похожего на то, что могло содержаться в клетке. Такой поиск неизбежно увел его очень далеко от области, в которой он работал.

Он выяснил, например, что с X до VIII века до нашей эры египтяне пользовались Т-образной планкой, тень которой, отбрасываемая солнцем, служила примитивными солнечными часами. В качестве примера более поздних механических систем он изучал греческие водяные часы и маятниковые часы Галилея. И даже атомные часы, которые управляются колебаниями атомов цезия и отстают не более чем на одну секунду за каждые три тысячи лет. Он собрал у себя целую коллекцию различных устройств для измерения времени: песочных часов, маятниковых, древних механических будильников, цветочных часов, гиревых и даже часов, в которых время определялось по пятнышкам белой плесени, выраставшей на розоватом агаре в чашке Петри.

Но основное его внимание привлекли часы короля Альфреда. Оригинал этих часов по описанию, сделанному в девятом веке, состоял из двух спирально перевитых кусков каната длиной двенадцать дюймов каждый, пропитанных примерно 3/4 фунта смеси пчелиного воска и свечного сала. Эти куски каната горели с постоянной скоростью по три дюйма в час, так что на сжигание каждого уходило четыре часа. Разметка на двенадцать равных отрезков помогала измерять промежутки времени по двадцать минут. Как только сгорала одна свеча, зажигали другую; на день требовалось шесть таких свечей. В процессе творческого мышления Эрета часы короля Альфреда начинали принимать неясную форму первого «образа».

Случилось так, что второй «образ» тоже имел форму спирали и происхождение его тоже было связано с Англией. Эта была знаменитая двойная спираль ДНК, структуру которой открыли Дж. Уотсон и Ф. Крик в 1952 году, за что они вместе с М. Уилкинсом были удостоены Нобелевской премии по медицине за 1962 год. С тех пор накоплено огромное количество экспериментальных данных, доказывающих, что ДНК является носителем кода жизни.

Теперь перед Эретом было два образа, схожих между собой и вместе с тем совершенно различных, формально вполне подходивших для исследования с помощью рассуждения по аналогии. Для удобства Эрет воспользовался современной моделью часов короля Альфреда, которая представляла собой желтую в форме спирали свечу, размеченную горизонтальными коричневыми полосами на участки, соответствующие одному часу горения.

Итак, свеча — это предмет, сделанный руками человека. Спираль ДНК — очень большая молекула, часть живой клетки, и создавалась она в течение всего процесса развития жизни. Свеча может иметь несколько сантиметров в диаметре и несколько десятков сантиметров в длину. Молекула ДНК в ядре клетки человека имеет до метра в длину, но она столь микроскопически тонка и так плотно упакована в хромосоме, что занимает всего несколько стотысячных сантиметра. Иными словами, если вообразить молекулу ДНК, равную в диаметре свече, и вытянуть ее, то длина ее составит около восьми километров. И последнее — свеча сгорает и, таким образом, физически исчезает, а ДНК продолжает копировать самое себя в течение всей жизни клетки.

Сходство между свечой и молекулой ДНК чисто внешнее: обе имеют форму спирали и периодическую структуру. У свечи за полосой желтого воска следует темно-коричневая полоса, затем снова желтая и т. д. У молекулы ДНК повторяются комплекты определенной последовательности четырех оснований — аденина, гуанина, цитозина и тимина.

Здесь Эрет подходит к самому главному моменту в своих рассуждениях. Еще шаг — и анализ подсказывает очень важный вопрос. Спиральную свечу использовали для измерения времени. А не выполняет ли ДНК то же самое? Не использует ли клетка для измерения времени спираль ДНК?

И снова целый поток вопросов. Не может ли повторяющаяся структура ДНК служить регулятором хода крошечных живых часов? Какую роль играла бы в этом процессе информационная РНК?[19] Существует ли связь между процессом синтеза белков из аминокислот и измерением времени? И — что, пожалуй, наиболее важно — какой организм мог бы ответить Эрету на такие вопросы? Лучше всего, если бы это был одноклеточный организм.

Существует классическое деление всего живого на Земле на растительное и животное царства с дальнейшим подразделением этих царств на типы, порядки, классы и т. д. В пятидесятых годах биологи пришли к выводу, что с эволюционной точки зрения организмы логичнее разделить на три царства, и к растениям и животным было добавлено царство простейших, или протистов (от греческого «протистос», что означает самый первый).

После введения этого третьего царства нужно было найти логическую основу для классификации его членов, и, поскольку оно включало только микроорганизмы, поиски их отличительных особенностей, очевидно, надо было проводить на молекулярном уровне. Микробиологи довольно быстро нашли эти особенности, и новое царство было поделено на две большие группы. Члены первой группы имели «двухоболочечные» клетки с четко выраженным и отграниченным от цитоплазмы собственной мембраной ядром. Эта группа получила название высших протистов, или эукариотов. Члены второй группы имели «однооболочечные» клетки без обособленного ядра, которое в ряде случаев почти не выявлялось; кроме того, у них отсутствовали многие черты, свойственные высшим протестам. Эта группа получила название низших протистов, или прокариотов. К эукариотам были отнесены грибы и многие водоросли, к прокариотам — бактерии и сине-зеленые водоросли.

Поскольку клетки всех высших растений и животных имеют хорошо выраженные и очень сложные ядра с собственной оболочкой, они вместе с высшими протистами попадали в один большой класс эукариотов. И если удастся найти часы у простейшего эукариота, можно будет идентифицировать вообще все живые часы!

Такой была нить рассуждений Эрета. Он мог начать либо с человека и спускаться по лестнице животного царства до простейшей клетки, либо с самого сложного растения и — по лестнице царства растений к простейшему из них. И в том и в другом случае он должен был прийти к одному и тому же организму — простейшему эукариоту. Этим простейшим оказалась Paramecium (туфелька).

О причинах выбора именно этого объекта для своих исследований Эрет говорил:

Самой малой и самой простой клеткой животного происхождения, у которой в настоящее время обнаружены циркадные ритмы, является инфузория Paramecium. Выраженный ритмический показатель у этого простейшего — его способность к конъюгации, которая обычно происходит в дневное время. При постоянной темноте ритм конъюгации сохраняется в течение целой недели с циркадным периодом около 22–23 часов, который почти не зависит от температуры в диапазоне 17–30 °C. Биологические часы этой инфузории легко сдвигаются под действием света различной длины волны. Для P. bursaria, лишенной хлореллы[20], исследовали влияние близкой ультрафиолетовой, голубой и красной областей спектра. Излучение, соответствующее далекой красной области спектра, изменений ритма не вызывало, что свидетельствовало об участии в этом процессе порфириноподобных, а не фитохромоподобных пигментов. Еще больший интерес представляло открытие того, что часы туфельки не только сильно изменяют свою работу под действием далекого ультрафиолета, но и сам этот эффект обратим под действием белого света. Следовательно, внутриклеточные часы неделящихся клеток включают в сферу своего действия и метаболизм нуклеиновых кислот. С этой гипотезой вполне согласуются и полученные позже данные об изменениях во фракции РНК и фракции, содержащей нуклеотидные коферменты. Наблюдается определенное совпадение времени наступления этих изменений с циркадной периодичностью.

Иными словами, ультрафиолетовое излучение повреждает спираль ДНК, но клетка может исправить это повреждение, если после ультрафиолета воздействовать на нее белым светом. Именно это и привело Эрета к заключению, что механизм часов клетки должен быть связан с регулирующей системой нуклеинового обмена.

Данные, подтверждающие истинность такого предположения, были получены позднее и в других лабораториях. Так, эти доказательства, в частности, предоставили исследования действия на микроорганизмы актиномицина-Д. (Актиномицин-Д — антибиотик, получаемый из почвенных бактерий и подавляющий синтез ДНК в клетке.) Гастингс со своими сотрудниками показал, что актиномицин-Д останавливает часы водоросли Gonyaulax. Суини удалось изменить ход часов этой водоросли действием ультрафиолета. Мак-Мюррей показал, что веществами, подавляющими синтез белка, не удается воздействовать только на одну какую-нибудь форму ритмической активности Gonyaulax. Поэтому Эрет все больше и больше склонялся к убеждению, что часы размещаются непосредственно в самом основном комплексе жизни — в комплексе ДНК, информационной РНК и связанных с ними реакциях белкового синтеза.

Означала ли вся эта сложность взаимоотношений клеточных процессов несостоятельность аналогии с часами короля Альфреда? Может быть, Эрет и задумывался над этим, но хода своих рассуждений и исследований не изменил. Он договорился о сотрудничестве с Дж. Биллем, специалистом по химии крупных органических молекул, и Э. Трюкко, математиком, работающим в области биофизики, и они втроем занялись разработкой этой проблемы.

В 1967 году они предложили «феноменологическую модель биологического циркадного механизма для отсчета времени».

Концепция «хронона», к которой они пришли, чрезвычайно сложна. Мы не будем даже пытаться подробно обсуждать ее здесь, поскольку это совершенно не входит в задачу данной книги. Но максимально упрощенный разбор предложенной модели даст нам хотя бы приблизительное представление о ходе рассуждений Эрета.

Основой процесса отсчета времени являются по его представлению, очень длинные молекулы ДНК, которые он называет «хрононами». На разошедшихся нитях спирали ДНК строится информационная РНК, достигая полной длины одиночной нити ДНК. Одновременно протекает ряд взаимосвязанных химических реакций, соотношение скоростей которых можно рассматривать как работу регулирующего механизма часов. Таким образом, вся последовательность этих реакций служит в качестве точного механизма отсчета времени, который в очень большом диапазоне не зависит от температуры. Эрет рассматривает эту модель как «скелет… в котором опущены все подробности, не являющиеся абсолютно необходимыми».

Выдвинутая Эретом концепция уже теперь помогает глубже понять всю сложность проблемы живых часов.

18. Мыши-астронавты

Наша неосведомленность относительно организации живого, того, как оно функционирует, в целом настолько глубока, а отсутствие настоящей теории (в том смысле, в котором употребляет этот термин физик) настолько полно, что мы не можем позволить себе роскошь утверждать, что космическое окружение не принесет нам никаких сюрпризов. Короче, мы не можем позволить себе быть настолько самонадеянными, чтобы лишиться из-за этого возможности сделать открытие первостепенной важности.

(Колин С. Питтендрай, 1963)

Роберт Линдберг, руководитель лаборатории биоастронавтики (Готорон, Калифорния), считает, что для исследователей космоса чрезвычайно важно знать, как поведут себя живые часы, когда они выйдут за пределы сферы действия всех сил, окружающих Землю. От реакции биологических часов на столь резкое изменение внешних условий зависит здоровье космонавтов, все дальше уходящих в глубокий космос. А для выяснения этого необходимы эксперименты над самыми разными животными.

«Если циркадные ритмы человека каким-то образом связаны с сигналами, поступающими из земного окружения, — пишет Линдберг, — тогда вероятность успешно справиться с длительными космическими полетами заметно снижается. Поэтому изучение циркадных ритмов в условиях глубокого космоса является столь же первоочередной задачей, как и измерение интенсивности жесткого космического излучения».

Исключительно ценную информацию могут дать не только полеты в глубокий космос, например на Марс, но и полеты небольшой автоматической лаборатории с живыми объектами по земной орбите, по орбитам вокруг Луны и вокруг Солнца. Летательные аппараты на этих орбитах, по крайней мере теоретически, подвержены некоторому влиянию земных полей. Спутник с орбиты, удаленной от земной поверхности на триста или четыреста километров, будет периодически приближаться к Земле и удаляться от нее, испытывая при этом циклически меняющееся влияние близости Земли. Организмы, находящиеся на борту такого аппарата, с неизбежностью ощутят этот ритм, и их циркадные ритмы замаскируются. Оба эти эффекта станут ничтожно малыми при переходе на гелиоцентрическую орбиту.

Так ли уже фантастичен полет космического корабля по гелиоцентрической орбите? Вероятно, он станет реальностью гораздо раньше, чем мы предполагаем. Общеизвестно, что прогресс человечества развивается по экспоненте, иными словами, скорость его развития не постоянна, а увеличивается с течением времени. Например, в области биологических ритмов за последние двадцать лет было достигнуто больше успехов, чем за предыдущие двести. Поэтому нельзя считать преждевременным обдумывание и разработку экспериментов, которые ставят целью выяснить, как будут вести себя растения, животные и человек в условиях глубокого космоса.

Подобно многим «недремлющим», Р. Линдберг пришел к изучению биологических ритмов из совсем другой области биологии. После защиты докторской диссертации в Калифорнийском университете в 1952 году он занялся исследованиями в Комиссии по атомной энергии. Работая на испытательной станции в пустыне, он изучал действие радиоактивных осадков на местных животных: кенгуровую крысу, белоногую и карманчиковую мышей.

Обычно Линдберг отлавливал этих животных и отправлял их в лабораторию Университета Лос-Анджелеса для определения действия радиоактивных осадков на хромосомы. Поскольку биопробы проводились на вскрытых животных, ему не было нужды сохранять их живыми. Тем не менее было очень важно, чтобы они поступали в лабораторию минимально изменившимися. Поэтому Линдберг помещал своих пленников в пластиковые пакеты и тут же укладывал в контейнер с сухим льдом. Предполагалось, что животные быстро погибали от холода или задыхались от углекислого газа. В лаборатории этих хорошо сохранившихся животных оттаивали и использовали для биопроб.

Как-то раз Линдберг сам принес контейнер с животными, выгрузил с грохотом замерзшие пакеты на стол и сел поболтать с сотрудниками лаборатории. Разговор, очевидно, был долгим, поскольку его пакеты успели хорошо прогреться. Внезапно беседа оборвалась, и Линдберг с изумлением уставился на стол — подпрыгивало несколько пластиковых пакетов.

Линдберг схватил один из них и, заглянув внутрь, увидел карманчиковую мышь, живую и активную, как прежде. Позднее выяснилось, сколь необычным созданием является этот маленький зверек. Хотя карманчиковая мышь и теплокровное животное, при снижении температуры она тотчас же переходит в состояние оцепенения, и тогда без всякого вреда для нее ее можно замораживать. При оттаивании температура тела животного быстро повышается, оно выходит из состояния оцепенения и сразу же становится активным.

Какое подходящее животное для экспериментальной работы! Идеи одна за другой возникали в голове Линдберга. Ведь под рукой было животное, активность которого можно было приостанавливать — и, возможно, на долгий срок — простым охлаждением. Безусловно, это животное, как и другие, обладает суточным ритмом двигательной активности. Весьма вероятно, что и изменение температуры тела у него имеет явно выраженный суточный ритм. В любом случае этот зверек представлял собой новый многообещающий объект для изучения биологических ритмов.

Тем временем 4 октября 1957 года в Советском Союзе был выведен на орбиту первый искусственный спутник Земли. Воображение Линдберга быстро установило связь между вероятностью скорой отправки человека в космос и экспериментальным животным, которое способно переносить низкие температуры и почти полное отсутствие кислорода. Представлялась уникальная возможность участвовать в космических исследованиях, и в 1959 году он перешел работать в авиационную фирму «Нортроп Корпорейшн». Там он, став руководителем лаборатории биоастронавтики, отдает много времени и сил отработке топкого и надежного объекта для экспериментов в космосе.

Содержание карманчиковой мыши (Perognathus Iongimembris) в условиях космоса практически не представляет проблем. Этот зверек весит около девяти граммов, совсем не пьет воды, а питается только сухими семенами. Поэтому за день он выделяет меньше капли мочи и крохотные сухие комочки помета без запаха. Потребность мыши в кислороде так мала, что ее можно долгое время держать в запаянной консервной банке. Охлаждением мышь можно перевести в состояние длительной спячки, из которой ее легко пробудить простым повышением температуры.

У этого существа наблюдаются два вида четко выраженных и легко поддающихся измерению ритмов: ритм двигательной активности и ритм изменения температуры тела. Наиболее достоверные результаты дает ритм изменения температуры тела. Карманчиковая мышь является так называемым факультативно-гомойотермным животным. В активном состоянии температура тела этого теплокровного животного чуть ниже, чем у человека (34–35,5 °C), а в состоянии, когда мышь впадает в оцепенение, она снижается до температуры окружающей среды.

Линдберг выяснил, что момент, когда карманчиковая мышь в естественных условиях входит в состояние оцепенения, является довольно четким показателем ее циркадного ритма. Но этот показатель иногда дает отклонения (отдельная мышь может пропустить день, вообще не впадая в состояние оцепенения, да и момент, когда мышь переходит в оцепенение, оказался весьма изменчивым). Поэтому Линдберг стал пользоваться моментом выхода из оцепенения, оказавшимся значительно более точным показателем.

Следующий этап исследований состоял в том, чтобы найти удобные и надежные методы регистрации температуры тела: один — для использования в земных условиях, другой — для получения информации, которую можно было бы хранить в космическом корабле и по команде передавать на Землю. Идеальными для этого могли оказаться быстро развивающиеся методы телеметрии. Уже были усовершенствованы крошечные радиопередатчики, используемые для изучения поведения животных в естественной среде. Уже проводились наблюдения за свободным перемещением галапагосских черепах, за числом сердечных сокращений у птиц во время полета и даже за колебаниями внутриглазного давления у человека.

Линдберг разработал телеметрическую аппаратуру для записи изменений температуры тела и периодов двигательной активности своих карманчиковых мышей. Радиопередатчик раз в десять меньше двухкопеечной монеты можно было помещать в брюшную полость мышей, не причиняя им никакого вреда. Он получал питание от крошечного ртутного элемента, имел чувствительность в одну десятую градуса и срок годности, равный двумстам пятидесяти дням. Кроме того, исследователь предусмотрел приемно-регистрирующую систему, которая каждые пять минут могла снимать показания термометра и хранить их для передачи на Землю при каждом обороте спутника.

Располагая исключительно удобным подопытным животным и оборудованием для записи ритмов поведения этого животного в любых экспериментальных условиях» Линдберг обратился за советом и помощью к К. Питтендраю, имевшему большой опыт исследовательской работы в области биологических ритмов. Питтендрай заинтересовался столь увлекательным сотрудничеством, и они разработали схему блока для животных и приборов, а также схему, обеспечивающую выполнение всей экспериментальной программы в условиях космического полета.

Первоначально блок для животных состоял из шести тонкостенных алюминиевых цилиндров от 30 до 45 сантиметров длиной и около четырех сантиметров диаметром. В этих цилиндрах должны были разместиться шесть карманчиковых мышей. Через цилиндры предполагалось пропускать под нормальным давлением воздух нормальной температуры. Кроме того, в каждом цилиндре был предусмотрен 30-дневный запас очищенных семян подсолнечника. Торцы цилиндров были закрыты крупной сеткой, которая в условиях невесомости задерживала полноценные семена, но пропускала крошки семян и помета в ловушку для мусора. Мочу должна была впитывать асбесто-целлюлозная подстилка, которая отделяла электронные приборы от мыши. Алюминиевые цилиндры размещались в два этажа по три цилиндра в каждом и монтировались над блоком приборов. Такой совершенно автономный контейнер для тридцатидневного полета шести мышей, включающий оборудование для обработки и хранения информации, а также систему контроля окружающих условий, будет весить не более двенадцати килограммов, занимать объем не более 0,03 кубического метра и потреблять всего 12 ватт электроэнергии.

В начале шестидесятых годов Американский институт биологических проблем учредил пять региональных исследовательских советов, с тем чтобы они подготовили рекомендации для программы биологических исследований на управляемой человеком орбитальной космической станции. В октябре 1966 года эти рекомендации были готовы. Среди них были следующие рекомендации по исследованию биологических ритмов:

Живым организмам свойственна ритмичность многих их функций. Существует несколько видов биологических ритмов — суточные, лунные, годовые. Биологические ритмы находятся под влиянием и внешних и внутренних факторов (последними в некоторых случаях можно искусственно управлять). Изучать биологические ритмы лучше всего сопоставляя организмы, стоящие на различных уровнях организации.

Поскольку многие из этих ритмов связаны с влиянием земного окружения, представляется чрезвычайно интересным и важным их изучение в условиях близких к космическим. Такие исследования могут дать информацию о механизмах биологических ритмов, а также об эффектах, возникающих при нарушении обычных связей с внешней средой. Последний аспект непосредственно связан с потенциальными неудобствами и опасностями космических путешествий.

Весьма вероятно, что биологические ритмы влияют на результаты большинства биологических экспериментов, проводимых на борту спутника, и это следует учитывать в постановке таких экспериментов и при анализе получаемых данных.

Обогащенный новыми знаниями о реакции живых организмов на необычные условия, человек получает возможность управлять окружающей средой. И кто знает, не будет ли этому способствовать изучение ритмов карманчиковых мышей-астронавтов.

19. Внутренние часы человека

Ученые, с исследованиями которых мы знакомились до сих пор, задавались вполне определенным вопросом или ставили перед собой конкретную задачу, разрабатывали методы ее решения и получали тот или иной ответ.

Дарвина, например, интересовало, почему листья «спят», — и он фиксировал их в развернутом, дневном, положении и на основании их реакций пришел к выводу, что листья складываются на ночь, чтобы защититься от ночного холода. Харкер хотела выяснить, где у животного находятся его живые часы. Проведя тонкие хирургические операции на тараканах, она обнаружила их в четырех клетках подглоточного ганглия. Хамнер решил узнать, зависит ли существование циркадных ритмов от сил, связанных с вращением Земли. Он привез растения и животных на Южный полюс и вращал их там в направлении, противоположном вращению Земли. На основании этого эксперимента он пришел к выводу, что ритмы у растений и животных существуют независимо от сил, возникающих в результате вращения Земли.

Во всех этих случаях можно было сформулировать конкретный вопрос, разработать метод экспериментального исследования и получить тот или иной ответ. Но как сформулировать вопрос, приступая к исследованию внутренних часов человека?

«Суточные кривые» человека зависят от столь многих факторов, что их необычайно трудно интерпретировать. Человек в этом смысле очень неудобный для эксперимента организм. Поэтому более полное представление о процессах, определяющих существование циркадных ритмов у человека, может быть получено прежде всего на основании изучения менее высокоорганизованных животных.

Современный взгляд на эту сложную проблему был выражен Юргеном Ашоффом, одним из крупнейших ученых в области изучения биологических ритмов.

«Даже неспециалисту хорошо известно, — писал Ашофф, — что температура тела человека минимальна рано утром и достигает своего максимального значения к вечеру. Это явление было описано еще в 1842 году. С тех пор многочисленные клинические и физиологические исследования показали, что в организме человека нет ни одного органа и ни одной функции, которые не обнаруживали бы суточной ритмичности. Измеряем ли мы число делящихся клеток в той или иной ткани, объем выделяемой мочи, реакцию на лекарство или точность и скорость решения арифметических задач — мы обычно обнаруживаем, что максимальное значение соответствует одному времени суток, а минимальное — другому.»

Так почему же человек плохой объект для экспериментальных исследований?

Не начиная философской дискуссии о различиях между человеком и низкоорганизованными животными, мы лишь отметим, что в экспериментальных условиях поведение человека во времени значительно менее последовательно, чем, скажем, поведение белки-летяги. И человека можно (естественно, при его согласии) поместить в тщательно контролируемые условия, специально созданные для измерения свободнотекущего ритма его активности. Но поскольку ритмы человека подвержены влиянию многих факторов, подавляющее большинство экспериментов по изучению участвующих в биоритмике внутренних процессов проводилось на низших животных.

Вопрос, как работают внутренние часы человека остается для исследователей биологических ритмов самой сложной проблемой. Для получения результатов, сравнимых с результатами последних экспериментов на животных, необходимо и в опытах на человеке обеспечить поддержание точно контролируемых условий освещения, температуры, влажности и т. д. Нужно исключить все внешние ориентиры, которые могут указать на истинное время (особенно это касается всякого рода шумов). А так как самым главным временным ориентиром является свет, чрезвычайно важно обеспечить точно контролируемый уровень освещенности.

Рис. 52. В организме человека, кроме четко выраженного цикла «сон — бодрствование», существует еще около ста функций с суточной цикличностью: скорость деления клеток, различные физиологические функции, реакция человека на действие лекарств, его способность к решению задач.

Чтобы следить за изучаемыми ритмами, необходимо располагать аппаратурой для регистрации цикла «сон — бодрствование», изменений температуры тела и т. д., а также клиническими возможностями определения физиологических функций. И при этом нужно изучать изолированного индивидуума, чтобы реакции одного человека не сказались на поведении другого.

Любознательные люди давно пробовали изучить цикл «сон — бодрствование» у человека. Натаниел Клейтман, специалист по физиологии сна, и Брюс Ричардсон из Чикагского университета в 1938 году закрылись в одном из отсеков Мамонтовой пещеры в Кентукки. Целью эксперимента было выяснить, сможет ли каждый из них приспособить свои внутренние часы к ритму, отличающемуся от суточного. Они провели в пещере тридцать два дня, стараясь привыкнуть к 28-часовому циклу, состоящему из 19 часов активного состояния и 9 часов сна. Ричардсон, которому было двадцать три года, уже к концу первой недели успешно перевел свои часы на новое расписание, а Клейтман, старше своего товарища лет на двадцать, так и не смог приспособиться.

Для того времени это было весьма интересным исследованием, но в сравнении с современным оборудованием Мамонтова пещера похожа на «темный домик» Гарнера и Алларда в сравнении с фитотроном в Канберре (см. рис. 22–23).

Оборудование для изучения ритмов у человека трудно в изготовлении и дорого в эксплуатации. Поэтому неудивительно, что существует оно пока в единственном экземпляре. Это «Тир-Бункер», размещенный в Институте физиологии поведения имени Макса Планка.

Непосредственный интерес Ашоффа к изучению ритмов человека стимулировали исследования, проведенные им на зябликах. Но задолго до этого он занимался изучением ритмов двигательной активности мышей в условиях постоянного освещения и постоянной темноты. Многочисленные эксперименты привели его к созданию гипотезы, известной под названием «правило Ашоффа». Согласно этой гипотезе, с увеличением интенсивности постоянного освещения длительность периода активности дневных животных сокращается, а ночных — увеличивается. Это правило неоднократно подтверждали многие исследователи на самых разных животных. Подтвердил его в экспериментах с зябликами и сам Ашофф. «Стрелками часов» ему служила двигательная активность зябликов — перепархивание с одной жердочки на другую (оно автоматически регистрировалось цифропечатающими счетчиками). Вот результаты типичного эксперимента Ашоффа:

1. Привыкание к условиям чередования 12 часов света и 12 часов темноты. Время активности совпадало с периодом освещения: включение света — птицы начинали перескакивать с одной жердочки на другую, выключение — птицы успокаивались.

2. 27 дней свободного течения ритма при непрерывном слабом освещении (освещенность 0,4 люкса). Первые два дня птицы начинали свою активность в то же время, что и раньше. Но затем это начало смещалось на более позднее время, так что при свободнотекущем ритме их часы отставали примерно на час.

3. Повторение условий чередований 12 часов света и 12 часов темноты в течение 15 дней. Отставание во времени прекратилось, и возобновился 24-часовой цикл.

4. Свободное течение ритма при непрерывном ярком освещении (освещенность 120 люксов). Период активности птиц начинался с каждым днем немного раньше, их часы теперь спешили почти на два часа в день.

Такая последовательность в поведении птиц подтверждает правило Ашоффа, а именно что дневные животные имеют свободнотекущий ритм с большим периодом при слабом освещении и меньшим — при ярком.

Но что гораздо важнее, эти эксперименты четко и убедительно доказали, что у зяблика есть внутренние часы, «стрелки» которых могут быть переведены в результате изменения режима освещения. Их можно было по желанию заставить идти точно, ускорять или замедлять.

Располагая этими результатами, Ашофф решил выяснить, как будут вести себя в контролируемых лабораторных условиях внутренние часы человека и действительно ли они эндогенны по своей природе.

Он отлично знал, что у человека хорошо развито чувство времени. Так, человеку ничего не стоит проснуться в определенное время, если с вечера он твердо решил сделать это. Известно также, что у людей, работающих посменно, наблюдается подъем и падение производительности труда; минимум его приходится на 3 часа ночи: в это время наибольшее число ошибок и несчастных случаев.

Что стоит за всем этим?

Программу научных исследований ритмов человека Ашофф рассчитал на длительный срок. Первым помещением для изолирования испытуемых служила звуконепроницаемая операционная, оставшаяся со времен второй мировой войны. Здесь были получены предварительные результаты, которые воодушевили исследователя на создание более надежного помещения — Тир-Бункера.

Испытуемые живут в этом бункере три-четыре недели в полной изоляции. Рядом с удобной комнатой, совмещающей гостиную и спальню, находятся душевая и маленькая кухня, где испытуемый готовит себе еду. «Мы просим его, — объясняет Ашофф, — вести «размеренную» жизнь: есть три раза в день, в обычной для него последовательности, не валяться после обеда и проводить несколько психологических испытаний. Все остальное время он может делать, что хочет. Чаще всего испытуемыми бывают студенты. Их любимое занятие — прослушивание музыкальных записей».

Измерения активностей и физиологических показателей испытуемых регистрируются за пределами бункера. Эта регистрация включает непрерывную запись температуры тела с помощью ректального зонда, запись характера активности, попытки испытуемого определять длительность промежутка времени в 20 секунд и в один час, его движения во время сна. Для обеспечения полнейшей изоляции вход в бункер снабжен двойными дверьми с магнитным замком, которые могут открываться лишь поочередно. В небольшом тамбуре между дверьми стоит холодильник для краткосрочного хранения мочи. Общение испытуемого с внешним миром осуществляется только с помощью записок, оставляемых им в определенном месте. Там же он получает свежий запас пищи.

Экспериментаторы открывают дверь в совершенно неопределенное время, так что из их действий нельзя сделать никаких выводов относительно времени суток. Испытуемый сам гасит свет, когда ложится спать, и зажигает его, когда просыпается и встает. Но интенсивность освещения устанавливается извне. Испытуемым позволено лишь регулировать температуру в бункере, поскольку Ашофф обнаружил, что небольшие изменения этого параметра не оказывают заметного влияния на результаты.

В таких тщательно контролируемых условиях все испытуемые обнаруживают четко выраженные циркадные ритмы. Это ритмы «сон — бодрствование», изменения температуры тела, выделения мочи (по объему и содержанию кальция и калия). Ритмы всех этих функций не вполне совпадали по фазе, но в среднем длительность периода при свободном течении ритма составляла 25 часов, то есть свободнотекущие часы человека отставали на час в сутки.

Рис. 53. Ю. Ашофф (слева) и К. Питтендрай в период работы над статьей по биологическим ритмам для трехтомного издания «Основ космической биологии и медицины».

Первым испытуемым был сам Ашофф. После выхода из бункера он сделал следующую запись:

Волнения первых двух дней в бункере по поводу «истинного» времени сменились потерей всякого интереса к этому вопросу и чувством полного комфорта жизни без времени. Результаты экспериментов с животными подготовили меня к тому, что мой собственный цикл должен быть короче 24 часов. Поэтому я весьма удивился, когда узнал, что в последний, десятый, день проснулся в 3 часа дня.

По «утрам» мне было очень трудно решить, достаточно ли долго я спал. На восьмой день я встал, проспав всего три часа. Сразу же после завтрака я записал в своем дневнике: «Что-то не так. Чувствую себя как на вахте». И опять лег; начал я свой день заново только после того, как проспал еще часа три. Судя по кривой температуры тела, мой первый подъем как раз совпадал с наихудшей для бодрствования фазой циркадного цикла, то есть с точкой наименьшей температуры тела. Волевое усилие ввело меня в заблуждение, а мои физиологические часы все поставили на место.

Вторым обитателем бункера была Патриция де Курси, которая к тому времени закончила свои эксперименты с летягами. Ее воспоминания помогают нам лучше понять характер Ашоффа: «Я участвовала в качестве второго подопытного кролика в ставших теперь столь известными экспериментах Ашоффа по изучению ритмов у человека. Думаю, что человеку его темперамента трудно изолировать себя от общества даже на несколько дней, поэтому ему очень хотелось найти спокойного, склонного к уединению индивидуума. Я с удовольствием удалилась в этот «трехнедельный спокойный отпуск» с проигрывателем для пластинок, рабочими записями и планом очередной статьи».

Позднее Ашофф рассказал, какую неприятную ситуацию пришлось пережить де Курси. Примерно в середине эксперимента сломался термостат, и в бункере стало очень жарко. Находившиеся снаружи ничего не заметили. Патриция, не понимавшая в чем дело, всерьез забеспокоилась. Однако справилась со своим волнением и довела эксперимент до конца.

К 1965 году Ашофф завершил эксперименты на 26 индивидуумах. Полученные результаты он рассматривал как предварительные, поэтому мы лишь кратко охарактеризуем их здесь:

1. Ритмы 22 человек из 26 обнаружили свободнотекущие периоды, превышающие по длительности 24 часа.

2. Длительность этих периодов увеличивалась при слабом освещении и сокращалась при ярком. Таким образом, человек, являясь дневным животным, изменяет длительность свободнотекущего периода в соответствии с правилом Ашоффа.

3. Один человек смог намеренно изменить длительность своего активного периода. При очень высоком уровне освещенности (1500 люксов) свободнотекущий ритм его активности в первые десять дней был равен 19 часам. Затем, стараясь удлинить период своей активности, он довел его до 25,6 часа. Поскольку один человек сознательно управлял продолжительностью своего периода активности, на результатах других испытуемых мог сказаться и бессознательный контроль.

4. У одного из испытуемых наблюдалась выраженная десинхронизация функций. Его цикл «сон — бодрствование» был удивительно длинным — 32,6 часа, тогда как ритмы колебаний температуры тела и выделения мочи составляли всего 24,7 часа. Тем не менее наблюдались моменты, когда эти ритмические функции полностью совпадали по фазе. Именно в то время он чувствовал себя особенно хорошо, о чем свидетельствовали его записи в дневнике. Эти наблюдения привели Ашоффа к заключению, что такая десинхронизация и составляет главную проблему для пассажиров скоростных лайнеров, прибывающих в отдаленный часовой пояс.

В одном из ноябрьских номеров журнала Fortune за 1963 год так описываются ощущения пассажиров, прилетавших из Токио в Копенгаген: «Дверь самолета, отправляющегося по маршруту Токио — Анкоридж — Копенгаген, захлопнулась, пассажиры пристегнули ремни. Огромный реактивный лайнер оторвался от земли во вторник в 21.30 по токийскому времени. Через три с половиной часа самолет совершил посадку в Анкоридже — было 9 часов утра по местному времени и благодаря перелету через международную линию дат все еще вторник. В 11 часов утра начался перелет в Европу, который продолжался восемь с половиной часов через полярные просторы при ярком свете летнего солнца. Когда самолет приземлился в Копенгагене, была среда, 6.25 утра. Со времени вылета из Токио прошло около семнадцати часов, и почти весь полет проходил при дневном свете. Когда пассажиры сошли с лайнера, они имели смертельно усталый вид».

С каждым годом накапливалось все больше подобных сообщений и становилось ясно, что недомогания, ощущаемые пассажирами трансатлантических лайнеров, вызывает нечто иное, чем просто скорость полета.

Пилоты, летающие на реактивных самолетах, отмечали, что перелеты с запада на восток более угнетают, чем перелеты с востока на запад. А перелеты с севера на юг и обратно с теми же скоростями и на те же расстояния не оказывают никакого особого действия. Происходит это по той причине, что перелеты через многие меридианы выбивают живые часы человека из фазы с его окружением, тогда как перелеты вдоль меридианов, то есть перелеты, придерживающиеся одних часовых поясов, не сказываются на работе внутренних часов.

Весьма вероятно, что расхождение внутренних часов с местным временем вызывает своего рода стрессовую реакцию организма, но более точная причина такого стресса и пути освобождения от него остаются пока неясными.

Можно ли извлечь из чисто научных исследований какое-либо рациональное зерно для решения этой практической задачи?

Ашофф отвечает на этот вопрос положительно. Не исключено, что снова синхронизировать внутренние часы пассажиров можно, используя, например, искусственные указатели времени. Для этого пассажиров сразу же после полета следует подвергнуть воздействию укороченных периодов света и темноты. Однако все эти соображения находятся пока в стадии теоретического осмысливания и предварительных экспериментов на животных… Мы слишком мало еще знаем, что именно происходит с людьми, чтобы подвергать их этим испытаниям.

20. В недалеком будущем

Приспособления для измерения времени интересны не только своей замечательной природой, но и тем, что их изучение может по-иному осветить принципы работы различных органов тела, особенно разных частей мозга, а также нормальное и аномальное поведение организма в целом.

(К. П. Рихтер, 1959)

Прошло почти полстолетия с тех пор, как Поль де Крайф написал свою книгу «Охотники за микробами», наиболее известную из книг, рассказывающих о победе человека над болезнями.

Как было бы замечательно, если бы сегодня то же самое мы могли сказать об успехах человека в его борьбе с болезнями, которые носят циклический характер и которые, вполне возможно, связаны с ритмикой физиологических функций нашего организма, с ритмичной изменчивостью наших психических и эмоциональных состояний.

Но такое время еще не наступило.

Сегодня, чтобы разрешить эти бесконечно сложные проблемы, нужна теория, которая объяснила бы, как и почему именно так, а не иначе работают внутренние часы человека в норме и при заболеваниях. Такую теорию еще предстоит создать. И она, по-видимому, будет создана в пределах жизни нашего поколения.

Какие же трудности стоят на пути создания такой теории? Некоторых из них мы уже коснулись в предыдущих главах.

Хирурги Флориды, например, обнаружили, что кровотечения после операций на гортани случаются гораздо чаще, если операция приходится на вторую четверть лунного месяца. Но из этого не было сделано никаких теоретических обобщений, кроме практического вывода (безусловно, очень важного) о том, что следует избегать проведения операций во второй четверти лунного месяца.

Сванте Аррениус, изучив периодические изменения в частоте приступов бронхита и эпилепсии, заключил, что эта изменчивость может быть вызвана колебаниями электрического заряда атмосферы. Но и из этого не последовало никаких выводов, пока Фрэнк Браун не воспользовался этим фактом, чтобы обосновать свою теорию о влиянии слабых проникающих сил окружающей среды на живые часы. И как мы уже видели, большинство биологов не согласились с Брауном.

Дженит Харкер, пересадив тараканам часы, работающие не в фазе с их собственными, обнаружила, что у насекомых развиваются опухоли и животные погибают. Франц Халберг и его сотрудники уже многие годы придерживаются той рабочей гипотезы, что нарушения ритмики организма тесно связаны с развитием злокачественных новообразований. Сочетание этих двух направлений в исследованиях должно, по-видимому, привести к появлению новых плодотворных идей и гипотез. Но они до сих пор не появились. Например, исключительно интересно знать, повышается ли чувствительность нормальных клеток к действию вируса во время определенных фаз их циркадного ритма и, если это так, к чему могут привести исследования в этом направлении.

Колин Питтендрай не раз предупреждал фармакологов о том, что вводить лекарства в организм больного человека нужно всегда с учетом времени суток. Это подтверждается обычным наблюдением за реакцией организма на инсулин. Больные диабетом считают, что их восприимчивость к инсулину повышается ночью, когда введение всего лишь двенадцати единиц может привести к нежелательным реакциям; в течение же дня переносимая доза препарата во много раз больше. Такая повышенная чувствительность организма к лекарствам ночью может быть связана с меньшим потреблением пищи в это время суток. Но так или иначе, это изменение чувствительности человека к лекарствам в течение суток необходимо учитывать. Очень скоро на пузырьках с микстурой, вероятно, появятся предупредительные надписи вроде: «Не принимать между 10 часами вечера и 8 часами утра»[21].

Список заболеваний, которые носят циклический характер, может быть бесконечно большим. Психолог Курт Рихтер за многие десятилетия своих исследований, начатых им еще в 1919 году, собрал клинические данные более чем о тысяче пациентов, страдающих различными периодическими заболеваниями.

Среди органов, которые, по его данным, поражались этими заболеваниями, были суставы, костный мозг, лимфатические узлы, желудок и двенадцатиперстная кишка, брюшина, слюнные железы, потовые железы, почки, глаза, кожа и мозг. Циклический характер носят и такие патологические симптомы, как просто отек и боль, и такие заболевания, как пептическая язва, мигрень и эпилепсия.

Говоря о сложности диагностирования подобных заболеваний, Рихтер заметил, что большинство их вначале не выглядят периодическими, а приобретают такой характер только спустя несколько месяцев и даже лет; поэтому «врачи легко могут просмотреть их начало».

В 1927 году молодой шведский медик Эрик Форсгрен обнаружил, что наиболее важные составляющие элементы кроличьей желчи могут осаждаться хлористым барием. Так появился метод для измерения количества желчи в печени кролика. Эксперимент показал, что количество выделяемой желчи меняется во времени и находится в обратной зависимости от количества запасаемого печенью гликогена. «В клетках печени в нормальном состоянии количества желчи и гликогена обратно пропорциональны, — писал он. — Когда клетка печени содержит много составляющих желчи, гликоген присутствует в небольших количествах, и наоборот. Таким образом, функционирование печени имеет периодический характер, образование желчи в ней чередуется с образованием гликогена».

Менее чем через два года после этого другой шведский медик, Якоб Мёллерстрём, обнаружил, что в скорости оседания эритроцитов также наблюдаются большие периодические изменения. Этот метод лабораторного анализа крови в настоящее время широко используется при диагностике хронических и острых инфекционных заболеваний. Так, например, в случае рака печени скорость оседания эритроцитов увеличивалась в 150 раз всего за сутки. Такие изменения он назвал «взрывоподобными» и подчеркнул опасность постановки диагноза на основании только однократного анализа. Кроме того, он заметил, что «скорость оседания эритроцитов представляет большой интерес для дальнейшего изучения скрытых биологических реакций, лежащих в основе этого явления».

Эти два открытия подогрели интерес к биологическим ритмам среди медиков, что вызвало резкий подъем исследований в смежных областях и создание в 1937 году Международного общества по изучению биологических ритмов человека.

Предстояло выполнить гигантскую задачу — просмотреть и классифицировать результаты многочисленных экспериментов. К концу 1964 года этот труд был завершен Арне Соллбергером, секретарем Общества. Его книга служит отличным справочным пособием для исследователей, работающих во многих смежных областях.

Найдется ли среди современных биологов и медиков ученый, который сумеет воспользоваться всеми этими данными? И как скоро можно ожидать желанных успехов в теории живых часов? Надеемся, что в недалеком будущем ученые ответят и на этот вопрос.

21. Обзор достигнутого и перспективы

Итак, мы постарались взглянуть на проблему живых часов с разных точек зрения: исторической — от самого первого наблюдения над живыми часами в 1729 году до сегодняшнего дня; генетической — от простого одноклеточного организма до такого сложного и высокоорганизованного, как человек; географической — от Скандинавского полуострова до Южного полюса и от берегов Атлантического океана до Тихого. Перед нами предстало множество согласующихся и противоречащих друг другу теорий и идей, мы встретились с самыми разными учеными.

Попробуем подвести некоторый итог, с тем чтобы выявить основные взаимосвязи и представить себе перспективу развития новой области знаний. Сделаем это с помощью Колина Питтендрая, профессора биологии Стэнфордского университета.

Когда Питтендрай занимался исследованием природных условий существования очагов малярии, его внимание привлекла цикличность в поведении комаров и возбудителей малярии, а затем и проблема биологических часов в целом.

Но поскольку комар неудобен для лабораторных исследований, Питтендрай остановил свой выбор на дрозофиле. В качестве «стрелок биологических часов» он избрал время выхода взрослых особей из куколок. Результаты своих многочисленных экспериментов Питтендрай опубликовал в 1954 году; его статья произвела очень большое впечатление на биологов. Б. Суини и Дж. Гастингс так охарактеризовали его работу:

В начале пятидесятых годов стало ясно, что постоянство периода биологических ритмов при различных температурах имеет огромное значение… Но более убедительно гипотеза о биологических часах, определяющих устойчивые суточные ритмы, была сформулирована в изящной работе Питтен-драя на дрозофиле. В его статье проблема температурной независимости была впервые рассмотрена достаточно полно и заняла то место, которое мы отводим ей сейчас. После этого быстро распространился взгляд, что ритмы отражают деятельность механизма измерения времени, для которой независимость от температуры имеет принципиальное значение.

Мы не можем сказать, что эти вопросы ранее не рассматривались и не были оценены по достоинству. Конечно, их важность была понятна. Но усилия исследователей были направлены в другую сторону.

В 1965 году на симпозиуме, который проходил в Клаудкрофте (штат Нью-Мексико) и отличался от предыдущих тем, что охватывал широкий круг вопросов, Питтендрай сделал доклад о биологических часах. Последовавшая за ним дискуссия продолжалась почти четыре часа. Поскольку этот доклад насыщен большим количеством специальной терминологии, мало понятной широкому читателю, мы дадим его сокращенное изложение.

Феномен де Мэрана

Бюннинг обратил внимание на короткую запись одного наблюдения, сделанного в 1729 году французским астрономом де Мэраном, заинтересовавшимся суточными движениями листьев некоторых растений. Полагая, что объяснение этому явлению каким-то образом связано с окружающими условиями, он перенес чувствительное растение в темное помещение, куда не проникали суточные изменения освещенности и температуры. К своему удивлению, де Мэран обнаружил, что и в этих условиях, казалось бы совершенно лишенных каких-либо периодических изменений, суточная периодичность движения листьев устойчиво сохранялась. Понимая важность этого открытия, де Мэран рассказал о нем ботаникам, но при этом выразил сомнение в скором развитии исследований в этой области, так как не представлял себе экспериментальных подходов к изучению столь удивительного открытия.

Феномен де Мэрана привлекал внимание многих выдающихся ботаников XIX столетия, среди которых были Декандоль, Гофмейстер, Дарвин, Сакс, Пфеффер. В 1875 и 1915 годах вышли две книги Пфеффера об устойчивой ритмичности суточных движений листьев.

Саксу уже в конце XIX столетия было ясно, что световой цикл окружающей среды, никак не влияя на ритмы у растений, служит лишь контролем временной периодичности, которая обусловлена, по-видимому, другими причинами. В это время очень многие ботаники интересовались приспособительными функциями подобных ритмов. Дарвин был даже уверен, что возникновение у растений в результате естественного отбора способности измерять время неизбежно приводило к появлению адаптивных преимуществ.

Эндогенное (или экзогенное) происхождение ритмов

Зависимость биологических ритмов от окружающих условий была основным предметом обсуждения в научной литературе на рубеже XX столетия вплоть до 1930 года. Предполагалось, что сохранение ритмов в условиях постоянной темноты и постоянной температуры зависит от действия на организм неких внешних сил. Называли, например, неизвестный фактор X, который якобы представляет собой еще не выявленную периодичность в окружающей среде. Даже в наше время имеется лаборатория, которая признает существование такого фактора. Профессор Браун из Северо-западного университета опубликовал большую серию статей, в которых сообщает об обнаружении точной 24-часовой ритмической активности живых организмов (дыхание, движение и т. д.), фазы которой тесно связаны с местным временем. Эту периодичность (реальность существования которой пока еще не обоснована) Браун приписывает влиянию фактора X. Однако позиция его подвергается серьезной критике со стороны большинства работающих в этой области ученых, уже давно пришедших к заключению, что феномен де Мэрана полностью зависит от эндогенных (внутренних), а не от экзогенных (внешних) причин.

Доказательство такой точки зрения опирается на результаты многочисленных наблюдений. Вот основные. Периодичность, сохраняющаяся в постоянной темноте и при постоянной температуре, может быть нарушена прекращением доступа необходимого организму кислорода, то есть переводом его тканей в состояние аноксии, а также охлаждением организма до температуры, при которой приостанавливается его обмен. Когда же подача кислорода возобновляется или температура повышается до уровня, необходимого для нормального течения обмена, ритмическая активность восстанавливается. Энергия, необходимая для поддержания этих колебаний, вырабатывается в процессе обмена веществ. Ритм возобновляется с того самого момента, когда он был остановлен. Этот факт очень важен, поскольку он свидетельствует о независимости фазы ритма в постоянной темноте от местного времени, то есть от вращения Земли. Значит она должна быть независимой от всех факторов, связанных с вращением Земли (включая и фактор X).

Наибольшее впечатление производит тот факт, что период ритмической активности, сохраняющийся в темноте, отличается от периода вращения Земли. Сторонники эндогенной природы ритмов считают, что, только допустив очень громоздкие и маловероятные предположения, можно объяснить, например, происхождение периода длительностью в 23 часа 15 минут влиянием неизвестного внешнего фактора с периодом точно 24 часа.

Для колебаний, открытых де Мэраном, Халберг ввел термин «циркадный» (околосуточный). Этот термин подчеркивает различие в длительности периода колебаний и периода вращения Земли. Кроме того, он исключает двусмысленность, имеющуюся в термине «дневной» (в одних случаях им обозначают дневное время суток, в других — используют его в значении «суточный»). Период циркадного ритма лишь приблизительно равен периоду вращения Земли вокруг своей оси.

Организмы, принадлежащие к одному и тому же виду, генетически различаются между собой по длительности периодов свободнотекущих ритмов — периодов, которые они обнаруживают в условиях, исключающих влияние изменений светового цикла окружающей среды.

Было бы несправедливо объединять профессора Брауна с ранними исследователями фактора X, поскольку он не считает, что этим фактором можно полностью объяснить феномен де Мэрана. Браун не отрицает возможность существования периодичности и внутреннего происхождения. Его интерес к фактору X определяется потенциальной ролью последнего, как своего рода регулятора ритма, который обеспечивает точность внутренним колебаниям и компенсирует изменения температуры.

Всеобщность и распространенность циркадных ритмов

Феномен де Мэрана наблюдали у очень большого числа самых разных организмов: одиночных клеток, растений и животных, включая человека. Этот феномен является общей характеристикой физиологической организации живых существ на нашей планете. У одноклеточной светящейся водоросли Gonyaulax Гастингс и Суини обнаружили циркадные колебания фотосинтеза и клеточного деления. У мышей и крыс наблюдаются ритмические изменения фактически всех изучавшихся параметров: химического состава крови, деления клеток, температуры тела, чувствительности к рентгеновским лучам и наркотикам и т. д.

Практическое значение недавних открытий в этой области очень велико. Определенная доза токсического вещества, выделенного из кишечной палочки человека, убивает 85 % мышей при введении его в одной фазе их циркадного цикла и только 5 % — в другой. Аналогичный эффект был обнаружен Халбергом для действия сердечного стимулятора строфантина. Фаза циркадного цикла организма — очень важный параметр, которым физиолог не может и не должен пренебрегать. Тем более фармаколог!

Как сообщает Питтеидрай, поведение дрозофил и их устойчивость к изменению температуры различны на разных фазах циркадного ритма. Кроме того, выявлены заметные изменения в удельной активности ферментов при испытании любой ферментной системы in vitro (в искусственных условиях), если она изъята из организма не днем, как обычно, а глубокой ночью. Наблюдаются различия в скорости реакции между ферментом и субстратом (веществом, с которым он реагирует).

Точность, врожденных и температурная независимость циркадных ритмов

Циркадные ритмы удобнее всего изучать, регистрируя ту или иную особенность поведения организма в целом. Так, при работе с млекопитающими очень удобно наблюдать за их двигательной активностью. Грызуны, например, любят бегать во вращающихся клетках. Время начала активности и ее продолжительность легко регистрируются, если соединить вращающуюся клетку с микровыключателем и самописцем. Как только клетка начинает вращаться, перо самописца вычерчивает линию, длина которой пропорциональна времени активности (рис. 54). Начало активности при 24-часовом цикле чередования света и темноты соблюдается точно. Ночные животные начинают свою активность где-то около «заката». Если такой организм поместить в условия постоянной темноты и постоянной температуры, период активности сохраняется с удивительным постоянством и неограниченно долго. Интервал, отделяющий начало одной активности от другой, и есть период циркадного ритма.

Наиболее поразительная особенность циркадных ритмов — это сохранение их точности и постоянства в течение неограниченно долгого времени. Стандартная ошибка в длительности периода для свободнотекущих ритмов некоторых грызунов может составлять не более одной минуты. Другими словами «ошибка» составляет величину порядка 0,001.

Более того, эта ритмичность является врожденной. Она не заучивается на основании индивидуального опыта. Врожденность ритмов была показана на одноклеточных организмах, на насекомых и позвоночных.

Возможно, наиболее удивительным свойством циркадных ритмов является тот факт, что на их периоде почти совсем не сказываются даже значительные изменения температуры. Эта температурная независимость ритмов по праву представляет собой отдельную большую проблему. Трудность простого физиологического объяснения этого явления определила, по крайней мере отчасти, возобновление интереса Брауна к возможному существованию и влиянию на организмы внешнего регулятора ритмики (фактора X).

Рис. 54. Циркадные ритмы двигательной активности оленьей мыши. Цикл чередования света и темноты (СТ 1: 23) выдерживался 59 дней. К шестому дню ритм был затянут этим циклом. Начиная с 60 по 92 день вводятся условия постоянной темноты и ритм опять становится свободнотекущим. С 93 по 132 день мышь выдерживают в условиях СТ 18: 6, затем опять в условиях постоянной темноты. Обратите внимание на удивительную точность периода свободнотекущего ритма.

Клеточная основа циркадных ритмов.

За последние десять лет был установлен очень важный факт — циркадные ритмы существуют на всех уровнях организации. По данным Соннборн и Барнетт, представители Paramecium multimicronucleatum могут с правильной периодичностью переходить от одного типа размножения к другому в течение суток.

Некоторые ученые пытались найти ритмы на уровнях организации ниже клеточной. В частности, пытались выяснить, является ли ядро клетки или другая ее часть (например, цитоплазма) тем местом, где возникает ведущий ритм.

Суини и Хэксо, а также Рихтер выполнили несколько замечательных работ с водорослью Acetabularia, которая представляет собой очень удачный объект для подобных экспериментов. Дело в том, что у этого одноклеточного организма можно удалить отдельные части, и он не погибает. Исследователи, удалив при помощи очень тонкой хирургической операции ядро клетки, пытались выяснить, способна ли одна протоплазма поддерживать циркадный ритм — в данном случае ритм фотосинтеза. Оказывается, способна, и даже в течение целых тридцати циклов.

Швейгер с сотрудниками, пересадив ядро из одной клетки в другую, изготовили «синтетическую клетку», у которой ритм ядра и цитоплазмы расходились по фазе на 12 часов. При этом они обнаружили, что ритм клетки определяется ядром.

Попытки изменить циркадные ритмы действием химических веществ, как правило, оказывались безуспешными. Исследователи считают, что клеточные ритмы не чувствительны к действию химических веществ. Однако результаты их экспериментов нельзя считать достоверными, поскольку использованные вещества не имели в своем составе радиоактивных элементов и, следовательно, не было уверенности, что они проникали в клетки в необходимых для этого количествах.

Результаты некоторых экспериментов были явно положительными, но не все их можно признать вполне убедительными. Гастингсу удалось, по-видимому, сдвинуть ритм Gonyaulax воздействием цианида мышьяка и р-хлормеркурибензоата. Бюннинг опубликовал данные об изменении длительности периодов под действием колхицина, уретана и этилового спирта. Брюс и Питтендрай обнаружили, что тяжелая вода влияет на фазу и длительность периода деления клеток Euglena. Но ни один из этих результатов не позволил авторам сделать какие-либо предположения относительно химической основы циркадных ритмов.

Рис. 55. Суточные движения листьев фасоли при постоянном слабом свете под влиянием этилового спирта. На графике пунктирная линия соответствует нормальному ритмическому поведению контрольного растения фасоли, а более вялая и неустойчивая сплошная линия — поведению подопытного растения. Результат этого эксперимента свидетельствует о существовании циркадного ритма, который заметно нарушается под действием спирта.

Одними из наиболее интересных исследований в этом направлении являются эксперименты Каракашьяна и Гастингса. Известно, что антибиотики действуют на образование информационной РНК, то есть на первый этап считывания наследственной информации. Экспериментаторы обнаружили, что после обработки клеток Gonyaulax актиномицином-Д ритмы люминесценции и фотосинтеза затухают. Этот результат представляет несомненный интерес, но значение его пока не вполне ясно. Сама по себе утрата ритмов никоим образом не свидетельствует о том, что данное вещество действует на часы клетки. Поражаемым участком вполне может оказаться система сопряжения часов (или ведущего колебания) с исследуемой физиологической системой.

Показателем изменения работы часов может быть либо изменение длительности фаз, либо изменение устойчивости ритма. Совсем недавно Штрумвассеру удалось ввести различные химические вещества в одиночные клетки ганглия у моллюска Aplysia. Изучение ритма позволило обнаружить четкий сдвиг его фазы при попадании в клетку актиномицина. Но ритм клеток ганглия удается измерять пока только в течение одного цикла после воздействия. Поэтому неизвестно, сохранится сдвиг фазы (значит, затронут ведущий ритм) или нет (значит, нарушено какое-то звено сопряжения между ведущим ритмом и изучаемым).

Эксперименты, выполненные Эретом и независимо от него Суини, показали, что ультрафиолетовое излучение ртутной лампы может изменять фазу ритма. Это позволяет предположить, что циркадный ритм клетки непосредственно связан с системой нуклеиновых кислот (ДНК — РНК). Для полного обращения фазы ритма оказалось достаточно всего нескольких минут облучения. Эти результаты свидетельствуют о том, что механизм действия ультрафиолетового излучения и видимого света различен.

Клетка и организм как осцилляторы, управляемые световыми циклами

Еще в 1957 году Брюс и Питтендрай отмечали, что формально циркадные ритмы представляют собой самоподдерживающиеся колебания. Для доказательства этого положения они сравнивали систему «организм и окружающая его среда» с двумя колебательными системами, одна из которых затягивает другую. Циркадные колебания в клетке и организме четко отражают колебания в их естественном окружении, а это предполагает взаимосвязь биоритмов с внешним циклом природных изменений. «Надлежащая» связь между системами достигается главным образом за счет светового цикла. Биоритмы сопряжены со световым циклом и затягиваются им или целиком подчиняются ему. Но ритм не наводится световым циклом[22]. Действие светового цикла сравнимо с действием одной колебательной системы на другую, независимую, самоподдерживающуюся колебательную систему.

Период (или частота) затягиваемого колебания точно следует периоду (или частоте) затягивающего цикла. Те или иные конкретные явления в организме наблюдаются в определенное время затягивающего цикла.

Рис. 56. Слева — дрозофил культивируют в условиях нормального чередования света и темноты: взрослые особи появляются перед рассветом. В центре — культура содержится в условиях постоянной темноты: мушки теряют чувство времени и выходят из куколок в неопределенное время. Справа — короткая вспышка света, данная в ранний период развития, переводит часы дрозофил: зрелые особи появляются из куколок во время, соответствующее времени вспышки.

Мы не будем детально излагать все, что известно в настоящее время о механизме затягивания светом. Достаточно отметить лишь несколько положений, представляющих общий интерес.

Во-первых, световые циклы оказывают универсальное действие в затягивании циркадных ритмов. Для холоднокровных животных таким затягивающим действием могут обладать и температурные циклы, но они, по-видимому, менее действенны. Это подтвердила недавняя работа Циммермана, выполненная им на дрозофилах.

Во-вторых, наблюдения Халберга, Рихтера, а также результаты Питтендрая показали, что у млекопитающих такие затягивающие сигналы света преобразуются через органы зрения[23]. Ослепленные мыши, крысы и хомяки не воспринимали затягивающего действия световых циклов. Но весьма вероятно, что этот путь носит вторичный характер. Если гипоталамус (часть переднего мозга, контролирующая различные центры, которые в свою очередь регулируют деятельность внутренних органов, водный баланс в организме, температуру тела, сон и т. д.) действует как управляющий центр системы циркадных ритмов, то для связи его со световым циклом окружающей среды необходима промежуточная связь с каким-либо поверхностным фоторецептором. Следует, однако, отметить, что данные Ганонга о проникновении видимого света в мозговой ствол позвоночных заметно снижают силу этого аргумента. К тому же экспериментально показано, что циркадная система дрозофилы может воспринимать влияние затягивающего цикла и тогда, когда мушка находится в стадии личинки и не имеет организованного фоторецептора.

Несколько исследователей (среди них Лис и Уильяме) показали, что фотопериодическое воздействие света (которое, как мы видели, является функцией циркадного ритма) может осуществляться в результате непосредственного поглощения света тканью центральной нервной системы. Для одноклеточных организмов и зеленых растений вопрос об организованном «глазе» не возникает. И тем не менее все они также подвержены затягивающему действию светового цикла. По-видимому, какая-то молекула в клетке, не специализированная для восприятия света в общепринятом смысле, поглощает свет и осуществляет непосредственную связь с ведущим механизмом циркадного цикла.

Хронометрия на основе циклов. Ориентация по небесным телам и фотопериодизм

Брюс и Питтендрай считают, что возобновление интереса к циркадным ритмам, наблюдавшееся с 1950 года, вызвано главным образом классическими экспериментами Крамера и Фриша, которые открыли, что птицы и пчелы, пользуясь солнцем как компасом, могут придерживаться заданного направления в любое время дня. Перемещение солнца по небу животные компенсируют с помощью внутренних часов. Гоффман и другие исследователи показали, что часы животных работают по местному времени, в полном соответствии со световым циклом окружающей среды. Кроме того, Гоффман обнаружил, что часы скворцов продолжают действовать и при постоянном слабом освещении. Свободнотекущий период их циркадного ритма составляет около 23,5 часа.

Бюннинг почти за пятнадцать лет до исследований Крамера и Фриша связал циркадные ритмы с совершенно иным явлением — с фотопериодизмом. В 1920 году Гарнер и Аллард показали, что переход растений от вегетативного роста к цветению зависит от количества светлых часов в каждом суточном цикле, то есть от фотопериода. В 1936 году Бюннинг пришел к выводу, что эндогенная «суточная» ритмичность растений связана с фотопериодом. По его мнению, то, что мы теперь называем циркадным ритмом растения, состоит из двух полуциклов — светового (названного им «фотофильным») и темнового (или «скотофильного»).

Световой полуцикл эквивалентен дневной фазе циркадного ритма, а темновой — его ночной фазе. В зависимости от времени года растение на ранней фазе темнового периода будет либо освещенным, либо неосвещенным. Если ранняя фаза темнового периода попадает на светлое время суток, то растения короткого дня переходят к цветению, а растения длинного дня — не переходят. Значит, циркадный ритм служит растению часовым механизмом для скрытого измерения времени. В этом суть гипотезы Бюннинга, которая оказалась чрезвычайно полезной для понимания биологической ритмичности. Она предвосхитила современый взгляд на измерение времени как на узловую проблему фотопериодизма и на оценку циркадных ритмов как всеобщих биологических часов.

Древняя, или первичная, функция циркадных ритмов

Со времен Дарвина ботаники пытались определить адаптивную значимость циркадных ритмов. Но для многих циркадных ритмов не удается отыскать видимой адаптивной функции. Реммерт (1962) вполне оправданно подверг сомнению адаптивную пользу ритма размножения дрозофил. В адаптивной функции огромного числа ритмов, наблюдающихся при метаморфозе насекомых, разобраться действительно трудно.

Огромное разнообразие циркадных ритмов неизбежно ставит перед учеными вопрос об их происхождении. Несомненно, многие циркадные системы имеют независимое происхождение, а сходство некоторых из их внешних признаков является следствием конвергенции[24]. При независимом происхождении циркадных систем одной конвергенцией трудно объяснить сходство между ритмами, особенно такие их свойства (наиболее «невероятные», с точки зрения физиологов), как точность и температурная независимость. К тому же ритмы сходны своей зависимостью от цикличности освещения. Короче говоря, жаль отказываться от рабочей гипотезы об общей древней основе циркадных ритмов, а также о том, что эволюционно они предназначены для выполнения некой функции. Немногие, известные сегодня функции ритмов являются вторичным проявлением этой организации, возникшей для выполнения других потребностей организма[25].

Существует ли в действительности такая древняя первичная функция, конечно, неизвестно, и на этом обсуждение этого вопроса можно было бы кончить. Однако живой организм представляет собой продукт исторического развития, определяемого естественным отбором, цель которого сводится, в сущности, к выработке функциональной приспособленности. И поэтому признание возможного существования некоторой еще неизвестной функции может открыть для исследователей новые полезные подходы к решению этого вопроса.

Многое в предположениях Питтендрая, несомненно, окажется неверным. Однако его рассуждения оправданы уже потому, что, ставя вопрос о возможном существовании первичной функции циркадных ритмов, они побуждают ученых к постановке новых экспериментов.

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.

Примечания

[1] Название «гелиотроп» происходит от латинских слов, означающих «поворачивающийся к солнцу». Мы не знаем, какие виды гелиотропов имел в виду де Мэран, поскольку первая разумная система классификации растений была опубликована Линнеем только в 1735 году. До этого живые организмы именовались просто как «рыбы, птицы, звери, деревья, травы и кустарники».

[2] Именно в этот период в СССР работал крупнейший исследователь, основатель современной гелиобиологии А. Л. Чижевский. Им написаны десятки ценнейших работ о влиянии периодических факторов космического происхождения на распространение заболеваний, ряд физиологических функций и т. д., а также о биологическом действии ионов воздуха. — Прим. ред.

[3] Первичный листочек, появляющийся над поверхностью почвы на первых фазах прорастания семян злаков, называют колеоптилем. В цитатах из книг Ч. Дарвина сохранен использованный им термин «семядоля». — Прим. ред.

[4] Английский физиолог Арчибалд В. Хилл вместе с Отто Мейергофом в 1922 году был удостоен Нобелевской премии по медицине. Концепцию Хилла о релаксационном осцилляторе считают сегодня наиболее приемлемой для объяснения работы биологических часов.

[5] Простые химические реакции примерно удваивают свою скорость при повышении температуры на 10 °C. Сложные реакции, такие, как варка яйца, например, часто значительно отклоняются от этого правила.

[6] Под этим понятием подразумевается очень широкий круг явлений.

[7] Как уже отмечалось в гл. 5, большинство биологических ритмов близко к так называемым релаксационным колебаниям. — Прим. ред.

[8] Затягивание ритма — это следование спонтанного самоподдерживающегося ритма за внешними временными циклическими ориентирами. Оно возможно лишь в сравнительно узком диапазоне частот, допускаемых этим самоподдерживающимся ритмом. — Прим. ред.

[9] В лабораторных условиях можно иногда наблюдать окологодовые, или цирканнуальные, периоды, несколько отличающиеся от годичных. — Прим. ред.

[10] Опубликованные за последнее время работы показали, что у одних организмов регуляция фотопериодической реакции соответствует схеме Бюннинга, а у других — упомянутой выше гипотезе «песочных часов». Не исключено, что в фотопериодической реакции ряда организмов участвуют оба механизма. — Прим. ред.

[11] Прежде всего, более интенсивное магнитное поле может вызвать реакцию несравненно более слабую, чем поле естественного диапазона напряженностей. Кроме того, работами Ю. А. Холодова и его сотрудников показано влияние относительно слабых магнитных полей на подвижность птиц. — Прим. ред.

[12] Хоть люди и удивлялись тому, насколько прямым бывает путь пчел, однако пользовались этим давно. Американские поселенцы находили в лесах дупла с медом по указанию самих пчел. Они выставляли небольшую мисочку с медом и наблюдали, в каком направлении улетали набравшие мед пчелы.

[13] В своих экспериментах де Курси использовала освещенность примерно в 10 люксов. О чувствительности летяг к свету можно судить, сравнивая такую освещенность с нормами, рекомендуемыми в промышленности: 1000 люксов для работы с мелкими предметами и для скоростных операций; 200 люксов для обычных рабочих мест и 50 люксов для проходов, свободных от препятствий.

[14] Эта операция возможна при расположении многих ежесуточных записей активности одна над другой. — Прим. ред.

[15] Этот период называется «временем потенциальной готовности». — Прим. ред.

[16] Практически все более поздние исследования, проводившиеся в США, Японии, СССР и ГДР, показали, что центром ритма является так называемый центральный отдел основного мозга Подглоточный же ганглий играет вспомогательную, проводящую роль. — Прим. ред.

[17] Нейросекреторные клетки выполняют двоякую функцию: проводят нервные импульсы и выделяют гормон.

[18] Утверждение Хамнера ошибочно. Действие сильного поля может оказаться совершенно иным и менее выраженным, чем действие слабого естественного магнитного поля. — Прим. ред.

[19] Информационная РНК — это особый вид рибонуклеиновой кислоты, которая синтезируется в ядре и переходит в цитоплазму. Там она связывается с РНК рибосом и работает как матрица для синтеза фермента или какого-либо другого специфического белка.

[20] В естественных условиях клетка туфельки обычно содержит симбиотические клетки зеленой водоросли хлореллы В экспериментах Эрета использовался клон P. bursaria, клетки которого не содержали этой водоросли.

[21] В настоящее время ученых все больше интересует периодическая восприимчивость насекомых к химикалиям. В. Салливан, работающий в Отделе энтомологических исследований Департамента земледелия штата Мэриленд, обнаружил, что вечером насекомые в два-три раза более чувствительны к действию инсектицидов, чем утром. Подобные исследования дают в руки работникам сельского хозяйства более эффективные меры борьбы с такими вредителями и паразитами, как хлопковый долгоносик, клещи и тараканы.

[22] У ряда животных ритмичность, по-видимому, наводится именно световым циклом и является полностью экзогенной. — Прим. ред.

[23] «Преобразователем» называют приспособление (в данном случае глаз), которое может возбуждаться одной или несколькими передающими системами и которое в свою очередь возбуждает одну или несколько систем.

[24] Приобретение сходного строения и функций неродственными, то есть имеющими различное происхождение, организмами вследствие приспособления к условиям сходной среды обитания.

[25] Вероятно, правильнее было бы говорить не о том, для каких таинственных функций возникла эта организация, а о том, как она возникла у организмов, постоянно подвергаемых циклическим изменениям среды (то есть как точные экзогенные ритмы превратились в точные эндогенные). — Прим. ред.

[16] Практически все более поздние исследования, проводившиеся в США, Японии, СССР и ГДР, показали, что центром ритма является так называемый центральный отдел основного мозга Подглоточный же ганглий играет вспомогательную, проводящую роль. — Прим. ред.