Возможности управления биологическими часами

Для познания природы и механизма работы биологических часов в живых организмах необходимо знать, насколько устойчив ход биологических часов при искусственном изменении внешних факторов воздействия (например, при чередовании света и темноты).

Вначале исследования проводились на растениях. Было установлено, что в условиях непрерывного освещения ярким светом многие биологические ритмы постепенно исчезают. Немецкий исследователь Э. Бюннинг еще в 1931 г. показал это на примере суточного движения листьев фасоли. Листья растения, привыкшего к нормальному чередованию дня и ночи, в непрерывной темноте сохраняли свое суточное движение. Однако в условиях непрерывного яркого освещения листья переставали двигаться. Такие же результаты дали наблюдения и над различными ритмами других организмов. Что же является причиной исчезновения видимого суточного ритма у растения при непрерывном ярком освещении — потеря синхронности в работе клеток или же потеря ритма каждой клеткой в отдельности? Растения не имеют центра управления их биологическими ритмами, поэтому каждому листу путем навязывания новых световых и теневых периодов можно придать свой ритм движения, независимый от движения других листьев. Восстановить их прежний синхронный ритм можно при помощи одиночного воздействия сильным светом. Полное восстановление наступает обычно через 17 час. после воздействия светом. В этот момент ритм движения листьев наиболее выражен. Внешне он проявляется в максимальном опускании листьев. Это будет повторяться ровно через сутки, а затем через двое суток. Растение как бы «запоминает» наибольшую реакцию на свет. Опыты показали, что эффект управления биологическими ритмами растения зависит от разницы в освещенности во время световой и теневой фазы воздействия. Наибольший результат достигается, если в теневой фазе полная темнота, а в световой — яркий свет (освещенность в 200 лк). Изучение управления ритмами растений проводилось не только при помощи световых воздействий, но и при изменении температуры окружающей среды. С этой целью растения выращивались при постоянной температуре и естественном ритме света и темноты, после чего их содержали при различных температурах. Было установлено, что с повышением температуры биологические часы растений начинали спешить. Это выражалось в уменьшении длительности циклов. Так, при 20 °C цикл был равен 27 час., при 25 °C — 23,7, при 30 °C — 22 и при 35 °C — 19 час. Однако растения обладают хорошей способностью приспосабливать свои внутренние часы к изменениям температуры, если они содержатся при различных температурах достаточно длительный период времени. Например, 28-часовой суточный ритм движения листьев растений сохраняется при 20, 25 и 30 °C. Такое приспосабливание биологических часов растений к различным температурам окружающей среды объясняется процессами саморегулирования. Рассматривая принципы управления биологическими ритмами у растений, можно понять некоторые общие закономерности управления ритмическими процессами у живых организмов.

Продолжением исследований было изучение суточных ритмов у животных при воздействии светом, звуком, изменением температуры. Наиболее значительными в этом направлении были работы американской исследовательницы П. Де Курси. В качестве объекта для своих исследований она выбрала белку-летягу. Выбор был не случаен. Белки-летяги, как и многие другие ночные животные, начинали активную жизнь с заходом Солнца и прекращали ее с рассветом, ежедневно возвращаясь в гнездо. Сначала изучение закономерностей суточной активности белок-летяг проводилось в естественных условиях. Исследование воздействия искусственно измененных внешних условий проходило в специально отведенном для этого помещении. Каждая клетка соединялась с автоматическим регистрирующим устройством, фиксирующим все движения белки. Полученные графики позволяли определить точное время начала двигательной активности белки. Как показал анализ результатов исследований, активность белок закономерно изменялась с течением времени. Было отмечено возрастание активности с наступлением сумерек и уменьшение — с рассветом. В опытах на белках-летягах исследовательница обнаружила, что в полной непрерывной темноте у белки сохранялся суточный ритм активности. Несмотря на индивидуальные различия, суточный цикл каждого животного имел высокую стабильность. Продолжая опыты, Де Курси выясняла воздействие искусственных циклов на естественный суточный цикл. Для этого она использовала в своих опытах белок-летяг с естественным суточным циклом. Предварительно белки помещались на несколько дней в постоянную темноту: у животных с естественным суточным циклом меньше 24 час. начало активности все время сдвигалось вперед, т. е. биологические часы этих животных спешили. У белок с естественным суточным циклом больше 24 час. биологические часы все время отставали. После темноты давалось 24-часовое воздействие с равными световым и теневым периодами. Это воздействие привело к перестройке свободнотекущего ритма. У белок с меньшим суточным циклом начало активности стало сдвигаться в сторону запаздывания до тех пор, пока не достигло постоянного значения на протяжении всего чередования света и темноты. У белок с суточным циклом больше 24 час., усвоивших новый цикл чередования света и темноты, начало активности стало наступать раньше. В дальнейшем, завершая эксперимент, исследовательница вновь возвратила белок в условия постоянной темноты. В результате у всех животных восстановились естественные циклы. Следующую серию экспериментов Де Курси провела с использованием кратковременных вспышек света. В определенный момент один раз в сутки на 10 мин. включался свет (слабая лампочка), фиксировалось начало активности белки. Полученный результат сравнивался с ожидаемым по расчету. Различие между ожидаемым и действительным временем начала активности белки показывало сдвиг фазы. Оказалось, что кратковременный свет сдвигает начало активности белки лишь в определенный промежуток времени свободнотекущего цикла. В остальные промежутки времени сдвиг начала активности не наблюдался. Эксперименты на белках-летягах помогли понять механизм перестройки периода активности у животных, живущих на воле. Перестройка циклов происходит в результате синхронизации их внутренних, биологических часов с внешними световыми циклами. Дальнейшие эксперименты по изменению суточного цикла белки не дали результатов: ни температура, ни звук не оказывали воздействия на начало ее активности. Аналогичные исследования изменения суточного цикла при световых воздействиях проводились учеными и на других животных.

Интересные исследования провел Ю. Ашофф по определению зависимости длительности периода активности от интенсивности освещения. Многочисленные эксперименты позволили ему создать гипотезу, известную под названием «правило Ашоффа». Согласно гипотезе, с увеличением интенсивности постоянного освещения длительность активности дневных животных сокращается, а ночных — увеличивается. В связи с этим для всех дневных животных естественный суточный цикл имеет больший период при слабом освещении и меньший — при ярком. В своих экспериментах на зябликах Ашофф показал, что «стрелки» внутренних часов зяблика удается переводить, изменяя режим освещения: их ход можно ускорять или замедлять по желанию экспериментатора. Ашофф решил проверить возможность применения своего «правила» на человеке. Для этого он попытался изменить суточный цикл сна и бодрствования у человека. Эксперимент проводился в пещеры. Двое испытуемых — закрылись в пещере, полностью изолировали себя от окружающего мира. Слабый свет в течение 19-часового периода активного состояния позволил перевести внутренние часы у студента на 28-часовой цикл. Период перестройки его суточного цикла занял две недели. У преподавателя за две недели так и не удалось перестроить суточный цикл (вероятно, это объясняется тем, что он был старше на 20 лет).

Исследования показали, что все закономерности перестройки ритмов организма при световых воздействиях в различные периоды суточного цикла, выявленные на животных, обнаружены и у человека. Механизм перестройки биологических ритмов организма у животных и у человека один и тот же.

Комплексное воздействие на ритмы организма световым и температурным циклами создает значительно больший эффект перестройки ритмики организма, чем действие каждого фактора отдельно.