Главная: Биологические ритмы и сон: Биологические часы: Природа и механизм работы биологических часов Наблюдения ученых показали, что ритмические процессы в живых организмах имеют много общих черт. Это обстоятельство навело на мысль о том, что в основе всех процессов лежит единый внутриклеточный механизм часов. Он управляет всеми биологическими часами, присутствующими как в простых одноклеточных, так и в сложных высокоорганизованных живых организмах.
Живому организму необходимо измерять промежутки времени самой различной продолжительности и для разных целей. Так, каждое измерение скорости (например, при ориентации птиц во время перелетов) связано с измерением времени иногда с точностью до миллисекунд. Поэтому, как предполагают ученые, живой организм имеет целый набор биологических ритмов с различными периодами. Короткие (в тысячные доли секунды) периоды колебаний, возникающие на клеточном уровне, трансформируются в более длинные суточные ритмы отдельных органов и систем организма. В связи с этим механизм биологических часов можно сравнить с механизмом обычных часов. Подобно им, биологические часы имеют механизм деления частоты - аналог зубчатых колес в часовом механизме. Точность хода механических часов обусловлена стабильностью частоты быстрых колебаний маятника. Пока часовая стрелка завершает суточный цикл, маятник часов осуществляет множество колебаний. В биологических же часах, по аналогии с механическими, суточный цикл каких-либо физиологических функций осуществляется множеством элементарных внутриклеточных колебаний.
Как показали исследования ряда ученых (Ж. Гастингс, 1962 г., и др.), биологические часы измеряют абсолютное время. Об этом свидетельствует циркадная (суточная) длительность циклов, сохраняющаяся при постоянных внешних факторах среды, а также несовпадение во времени фаз одного и того же процесса у представителей разных видов и разновидностей.
Среди некоторых ученых долго господствовало убеждение, что измерение времени в биологических часах основано на одиночных реакциях, т. е. на принципе песочных часов. Иными словами, предполагалось, что какой-либо стимул (например, восход солнца или переваривание пищи) приводит в действие определенный биологический процесс, завершение которого отмечается сигналом, посылаемым в соответствующий орган. В качестве аналогии приводился такой процесс, как разряд конденсатора.
Однако, как стало известно в последнее время, у животных, растений и даже у самых примитивных одноклеточных организмов существует гораздо более совершенный способ измерения времени, основанный на циклических процессах в организме. Этот способ позволяет осуществить измерения времени в организме на протяжении более длительного промежутка - до того момента, пока не появится фактор, способствующий определению времени в новом цикле.
Таким образом, стало очевидным, что в основе измерения времени лежат не одиночные, а цепные процессы и что принцип их работы тот же, что и у маятниковых часов.
При изучении природы биологических часов важно было выяснить механизм возникновения первичных периодических процессов, определяющих ход внутриклеточных часов. Ученые проводили исследования в различных направлениях: определяли физический, химический, биологический и физиологический смысл явлений, происходящих в клетках и тканях организма. Результаты исследований вызывали самые различные (в том числе и противоречивые) выводы.
Так, мнение ученых о физической природе внутриклеточных часов основывалось на том, что длительность периода биологических ритмов очень мало зависит от температуры. Правда, можно предположить, что в этом случае идет взаимодействие химических процессов, обладающих различными температурными коэффициентами. Однако такое объяснение не очень хорошо согласуется с тем, что отсутствие температурной зависимости индивидуальных фаз цикла проявляется в одном и том же интервале температур - обычно между 10-30°С. В пользу физической природы биологических часов свидетельствует периодическое изменение состояния макромолекул. Экспериментально установлено, что у некоторых составных частей клетки (например, ядра) способность связывать воду периодически меняется. Это обусловлено внутриклеточными реакциями, обеспечивающими клетку энергией. Периодические колебания макромолекул поддерживаются за счет поступления очень небольшого количества энергии, что обеспечивает надежность и устойчивость работы внутриклеточных часов.
Кроме доказательств в пользу физической природы биологических часов, были получены экспериментальные данные, показывающие, что в клетках организма происходят и биохимические процессы, определяющие ход биологических часов. Многие биохимические процессы регулируются и имеют суточную периодичность.
Особенностью таких биохимических процессов является то, что они не зависят от температуры. Обычно же эти реакции непосредственно зависят от температуры. Это объясняется тем, что структура митохондрий и других субклеточных частиц прекрасно приспособлена к межмолекулярному и внутримолекулярному переносу энергии, обусловленному движением электронов. Таким образом, объяснение механизма работы внутриклеточных часов их биофизической природой, для которой характерна независимость процессов от температуры, не противоречит мысли и о биохимической природе часов.
Биохимическая природа биологических часов подтверждается большим экспериментальным материалом. Он свидетельствует о том, что работа биологических часов внутри клетки основана на чередовании напряжения и расслабления, т. е. на релаксационных колебаниях. Этими колебаниями управляет химическая энергия, от которой зависит фаза напряжения. Вследствие недостаточного снабжения клетки энергией процесс напряжения не достигает максимума, в связи с чем система не может удержаться на низком уровне и вновь возвращается в расслабленное состояние.
Периодические колебания биологических часов исследователи объясняют взаимной регуляцией внутриклеточных систем. Более наглядно процесс регуляции двух систем, соединенных между собой обратными связями, можно представить следующим образом. Предположим, что одна из систем вырабатывает какое-то вещество. Тогда другая система обусловливает исчезновение этого вещества из объединенной системы. Первая система начинает вырабатывать вещество лишь тогда, когда его содержание падает ниже определенного критического уровня. Вторая же система начинает разрушать это вещество в том случае, когда его содержание превысит верхний критический предел. В результате получится типичная гомеостатическая, самоподдерживающаяся система по отношению к данному веществу. При определенных условиях в результате инерционности, замедленности прохождения регуляционных сигналов содержание этого вещества будет все время оставаться на некотором гомеостатическом «среднем» уровне.
Таким образом, ритмический процесс колебаний в клетке возникает путем самоподдержания колебаний.
Каждая клетка, как и целостный организм,- самоподдерживающаяся система.
Ученые выдвигают различные гипотезы о природе самоподдержания ритмических колебаний в клетке. Американский исследователь Дж. Вильдер и большинство других ученых придерживаются мнения, что единственный принцип существования клетки - ритмический процесс, состоящий из «фаз положительной и отрицательной энтропии», энергетической перезарядки системы. Существование этого ритма колебаний энергии, как полагает ученый, и является тем основным началом в природе, которое позволяет отграничить живые организмы от хаоса неживой природы. По мнению ученых, самоподдерживающиеся ритмические колебания в клетке возникают благодаря смене фаз возбуждения и торможения. Вильдер объясняет эти процессы изменением направления движения ионов внутри клеток, а также колебанием потенциалов клеточных оболочек.
Процесс возникновения ритмических колебаний в клетке можно более наглядно представить на модели, предложенной Вильдером. Если два солевых раствора различной концентрации разделить полунепроницаемой заряженной оболочкой и через них пропускать электрический ток, то в оболочке возникнут ритмические изменения потенциалов ее сопротивления и водонепроницаемости. В результате перераспределения анионов и катионов в клетках возникают процессы электрической перезарядки. В этом видят аналогию с биологическими часами.
Математическое и физическое моделирование механизма работы биологических часов проводили и другие исследователи - К. Клоттер, Р. Вевер, О. Шмит, X. Калмус, Л. Уигглосуорс, Ч. Эрет и Дж. Барлоу.
Опыты американского ученого Ч. Эрета показали, что в механизме биологических часов принимают участие нуклеиновые кислоты. Свои исследования Эрет проводил с учетом биохимической и биофизической природы клетки. Он пришел к выводу, что основа процесса отсчета времени в клетке - очень длинные молекулы ДНК, названные им «хрономами». На разошедшихся нитях спирали ДНК строится информационная РНК.
Длина ее соответствует длине одиночной нити ДНК. Одновременно в клетке протекает ряд взаимосвязанных химических реакций, соотношение скоростей которых можно рассматривать как работу регулирующего механизма часов. В качестве точного механизма отсчета времени выступают последовательно происходящие реакции. Их строгая последовательность позволяет вести точный отсчет времени в широком диапазоне температур.
Интересна история возникновения у Эрета изложенной выше идеи работы внутриклеточных часов. Зная структуру молекулы в клетке, представленной английскими учеными Дж. Уотсоном и Ф. Криком в виде двойной спирали, Эрет стал сравнивать ее «образ» со всеми когда-либо существовавшими часами. Чтобы выяснить принцип работы биологических часов, ученый пытался представить себе их возможную форму. Логика решения задачи состояла в том, чтобы, рассмотрев созданные человеком приборы для измерения времени, подобрать хотя бы отдаленно похожий по форме на тот, который находится в клетке. Ч. Эрету пришлось собрать сведения о солнечных часах древних египтян, греческих водяных часах, маятниковых часах Галилея, а также о самых современных атомных часах. Были также рассмотрены песочные, гиревые, древние механические часы и даже цветочные часы.
Среди множества часов внимание ученого привлекли часы, сделанные еще в IX в. Это были часы-свеча - два спирально перевитых куска каната длиной 30 см, пропитанных смесью пчелиного воска и свечного сала. Горение кусков каната происходило с постоянной скоростью - 7,5 см/час. Таким образом каждый канат сгорал за 4 час. Определение же времени производилось по 12 отметкам на канате: каждая горела 20 мин. После сгорания одной свечи, зажигалась следующая. За сутки сжигалось шесть свечей.
Сравнение часов-свечи с молекулой ДНК наглядно показало их внешнее сходство: форму спирали и периодическую структуру. У свечи периодичность заключалась в чередовании желтой и темно-коричневой полос воска, у молекулы же ДНК - в повторении четырех веществ: аденина, гуанина, цитозина и тимина. Внешнее сходство часов-свечи и молекулы ДНК навело на мысль о том, что двойная спираль молекулы ДНК измеряет время. Однако, как показали дальнейшие исследования ряда ученых, механизм измерения времени молекулой ДНК, внешне похожий на работу свечи в часах, по своей сущности гораздо сложнее. Он предполагает включение в сферу его действия метаболизма нуклеиновых кислот. В работе внутриклеточных часов, как показал эксперимент, принимает участие регулирующая система нуклеинового обмена.
Таким образом, Эрет определил первичную структуру внутриклеточных часов, расположенную в комплексе ДНК, информационной РНК.
Гипотезу химического механизма биологических часов высказал американский исследователь С. Хендрикс в 1963 г. В своей гипотезе Хендрикс приводит четыре типа химических реакций, которые могут обеспечить измерение времени в биологических часах. К первой группе он относит химические реакции, скорость которых определяется так называемым ключевым веществом. Примером могут служить взаимоприращения никотинамида, позволяющие ограничивать скорость и объем различных окислительно-восстановительных реакций. Вторая группа включает такие реакции, у которых скорость регулируется количеством конечного продукта. Так, например, подавление действия соответствующих ферментов автоматически снижает накопление гистидина в клетке бактерий. К третьей группе химических реакций относятся процессы разблокировки синтеза ферментов, проходящие на уровне генов, т. е. синтеза молекул РНК, а к четвертой группе - химические реакции, которые связаны с образованием и регулированием количества гормонов.
Все четыре группы химических реакций рассматриваются с точки зрения скорости этих реакций. Конечный продукт реакции при его накоплении в результате обратных связей уменьшает начальную скорость реакции. В конечном итоге общее время химической реакции увеличивается (учитывается время, проходящее от начальной до конечной реакции).
Все рассмотренные выше гипотезы о природе и механизме работы биологических часов пока еще не дают исчерпывающего объяснения, а сама проблема познания природы часов живых организмов далека от полного экспериментального завершения.
Успехи изучения биологических часов на внутриклеточном уровне имеют большое значение для понимания различных биоритмических процессов в организме животных и человека. Большие заслуги в этом отношении принадлежат и советским ученым. Особо здесь следует отметить работы, связанные с изучением природы биологических часов, двух выдающихся советских ученых - д. А. Сабинина и А. Н. Баха. Они первыми установили связь механизма внутриклеточных часов с нуклеиновыми кислотами и белками. В дальнейшем Сабинин продолжил изучение биологических часов на растениях и впервые предположил наличие связи между ритмичностью роста растений и обменом нуклеиновых кислот.
Для понимания природы и механизма работы биологических часов на уровне всего организма необходимо представить себе работу клеток какого-либо центра (или субцентра). Рассмотрим, например, работу клеток гипоталамуса, имеющего четко выраженную суточную периодичность.
С теоретической точки зрения существуют два варианта совместной деятельности клеток: все клетки работают либо синхронно (фазы колебаний у них совпадают), либо несинхронно (фазы не совпадают). При первом варианте суточные ритмы организма (их длительность и положение фаз) полностью повторяют циклы одновременного чередования фаз возбуждения и торможения центра управления биологическими часами - гипоталамуса. При втором - суточные ритмы представляют собой усреднение большого количества несинхронных ритмов.
Анализируя оба варианта совместной работы клеток центра (субцентра), в частности гипоталамуса, американский исследователь К. Рихтер пришел к выводу, что все клетки центра (гипоталамуса) в нормальных условиях функционируют между собой несинхронно, т.е. фазы колебаний у них не совпадают. Болезненные состояния приводят к синхронизации колебаний в клетках, что проявляется прежде всего в увеличении длительности циклов. Таким образом, шоковое состояние или травма организма синхронизируют колебания всех клеток, уменьшая фазовые сдвиги колебаний и изменяя циклическую продолжительность, В качестве примера Рихтер приводит работу клеток, продуцирующих синовиальную жидкость суставов. В нормальном состоянии они функционируют несинхронно и имеют 7-14-суточный цикл. Как только возникает заболевание, клетки начинают работать синхронно, фазовые сдвиги между колебаниями приближаются к нулю, а в суставах через каждые 5, 9, 11 и т. д. суток возникает отечность (водянка суставов). В организме человека могут периодически возникать такие заболевания, как лейкоцитоз, эозинофилоцитоз, повышение температуры тела, увеличение кислотности желудка и т. д.
Многие заболевания человека можно рассматривать с точки зрения изменений, связанных с перестройкой цикличности физиологических функций его организма, например работы сердца, дыхания и т. д. Изменения ритма как отдельных органов, так и всего организма в целом могут косить временный характер. В таком случае говорят, что организм имеет функциональные расстройства (это прежде всего относится к центральной нервной системе человека). К функциональным расстройствам в организме человека относится десинхроноз, возникающий в результате перелета человека через меридианы в восточном или западном направлении. К ним можно отнести и функциональные расстройства центральной нервной системы, возникающие при переутомлении, эмоциональных стрессах, систематическом нарушении режима труда и отдыха. Функциональные расстройства могут привести к временной бессоннице, к ослаблению и вялости всего организма, к повышенной возбудимости и нервозности.
Однако стоит человеку войти в привычный нормальный ритм жизни, как нарушенная ритмичность функций организма восстанавливается.
Иное дело - заболевания, связанные с патологическими, необратимыми изменениями в организме человека. В этом случае нарушенный ритм работы отдельных органов не восстанавливается.
Функциональные изменения в организме, например учащение работы сердца, дыхания, могут происходить не только при заболеваниях, но и в результате усиленной физической и умственной работы, эмоциональных напряжений, при воздействии внешних неблагоприятных факторов: температуры, атмосферного давления, повышенной или пониженной влажности. Часто функциональные изменения в ритме отдельных органов человека при больших нагрузках могут быть во много раз выше нормы. Особенно это относится к спортсменам, у которых во время ответственных соревнований частота сердечных сокращений достигает 250 ударов в минуту (вместо 60-80 ударов в минуту в нормальном состоянии). Однако, несмотря на такое резкое изменение ритма работы сердца, через короткий промежуток времени частота сердечных сокращений у здоровых людей полностью восстанавливается.
В организме человека при функциональных изменениях происходит саморегулирование биологических ритмов. В связи с этим возникает вопрос, нельзя ли производить преднамеренное регулирование отдельных органов и систем организма, изменяя длительность их циклов в нужном направлении? Можно ли изменить суточную периодичность физиологических функций в организме человека?
Источник: Л. И. Куприянович «Биологические ритмы и сон»
Главная: Биологические ритмы и сон: Биологические часы
Искать "Природа и механизм работы биологических часов" в Яндексе
|