Цикл сна и бодрствования — не единственное свидетельство существования биологических часов. Многие физиологические показатели изменяются в зависимости от времени суток. Например, температура человеческого тела не всегда равна строго 36,6 °C. Она колеблется вокруг этот значения, обычно достигая максимума ранним вечером. У многих участников экспериментов цикл изменения температуры фактически оставался равным 24 ч, даже когда продолжительность цикла сна и бодрствования скакала от 20 до 40 ч. Это означает, что внутри нас существуют разные часы, и они не всегда идут синхронно.

СУПРАХИАЗМАТИЧЕСКОЕ ЯДРО

В глубине мозга каждого человека есть структура, называемая гипоталамусом. А в глубине гипоталамуса, над перекрестом нервов (хиазмом), несущих информацию от левого и правого глаза, располагается супрахиазматическое (надперекрестное) ядро.

В 1970-х гг. стало известно, что у грызунов с повреждением супрахиазматического ядра полностью нарушается циркадный ритм сна и бодрствования. Они спят отрывочно как в ночное, так и в дневное время. Эти первые наблюдения позволили предположить, что супрахиазматическое ядро управляет циркадным ритмом. Доказательства появились в 1980-х гг. в результате серии новых экспериментов. Один из самых захватывающих экспериментов заключался в трансплантации мозга48. У хомяков со свободным циркадным ритмом суточный цикл сна и бодрствования практически равен 24 ч. Однако существует мутация, приводящая к сокращению цикла до 20 ч. Если супрахиазматическое ядро действительно отвечает за циркадный ритм, по мнению ученых, пересадка этого органа может привести к смене 20- часового цикла на 24-часовой цикл.

Вообще говоря, подобного рода манипуляции с головным мозгом возможны только в научно-фантастической литературе. Однако супрахиазматическое ядро устроено достаточно просто и относится к тем немногочисленным отделам мозга, трансплантация которых вполне реальна. В отличие от большинства отделов мозга супрахиазматическое ядро является четко идентифицируемой структурой и получает сигналы всего из нескольких других областей. Кроме того, оно сообщается с другими частями мозга не только посредством электрических импульсов через хрупкие аксоны, которые не очень хорошо регенерируют, но и выделяет гормоны непосредственно в кровоток.

Исследователи повреждали супрахиазматические ядра хомяков двух типов и каждому типу пересаживали клетки другого типа. В результате они превратили хомяков с 24-часовым циклом в хомяков с 20-часовым циклом и наоборот. Таким образом, не тело или мозг хозяина управляют циркадным ритмом супрахиазматического ядра; все наоборот: небольшая группа из 10 000 супрахиазматических нейронов берет на себя контрольную функцию и сообщает хозяину, когда ему следует отправляться спать, а когда пора вставать и крутить колесо.

КЛЕТКИ, КОТОРЫЕ ЗНАЮТ ВРЕМЯ

Является ли наличие головного мозга обязательным условием для существования циркадного ритма? Вовсе нет. Следование световым и температурным изменениям, вызванным вращением Земли, а также их предвидение играют настолько важную роль, что биологическими часами снабжены практически все живые существа.

Самые первые эксперименты по изучению свободного циркадного ритма проводились на растении мимоза стыдливая (Mimosa pudica), которое днем раскрывает листья, подставляя их к солнечному свету, а ночью закрывает. В 1729 г. французский астроном Жан-Жак Дорту де Меран перенес мимозу в темную комнату и обратил внимание, что на протяжении многих дней растение продолжало раскрывать и закрывать листья в соответствии с истинным временем суток. По-видимому, сам ученый не очень доверял своим результатам. Во времена де Мерана одна из важнейших научных задач заключалась в поисках способов определения времени суток в море, и трудно было поверить, что какое-то примитивное растение обладает собственным часовым механизмом. Де Меран заключил, что поведение растения определяется какими-то иными сигналами, такими как температура или неизвестные магнитные влияния, которые заставляют его раскрывать и закрывать листья. Ученым понадобилось более 200 лет, чтобы понять, что все растения и животные имеют внутренние часы, и даже индивидуальные клетки осциллируют в 24- часовом ритме.

Когда мы говорим, что индивидуальные клетки осциллируют, мы не имеем в виду, что они физически вибрируют, подобно кристаллам кварца, или раскачиваются вперед и назад, как маятник. В данном случае под осцилляцией понимают изменение концентрации внутриклеточных белков. Клетки — не статичные образования. В зависимости от выполняемой в конкретный момент работы в них очень сильно меняется концентрация различных белков. Например, клетки выстилки кишечника усиливают выработку пищеварительных ферментов каждый раз, когда мы едим. Аналогичным образом, при повышении концентрации глюкозы в крови клетки поджелудочной железы активируют синтез белков, задействованных в производстве инсулина.

Но клетки руководствуются не только внешними стимулами, у них есть свой внутренний ритм. Как и мыши, индивидуальные клетки тоже обладают свободным ритмом. При постоянстве температуры и биологической среды многие клетки придерживаются собственного циркадного ритма, что видно по увеличению и снижению концентрации некоторых белков в 24-часовом режиме. Наблюдать за этими осцилляциями можно с помощью хитроумных генно-инженерных манипуляций.

Светляки светятся по той причине, что синтезируют фермент люциферазу, который в присутствии субстрата (небольшой молекулы, называемой люциферином) испускает энергию в виде фотонов света. Ученые встраивали ген люциферазы в самые разные клетки — в бактерии, плесень, растения, фибробласты и, конечно же, в нейроны супрахиазматического ядра. Если транскрипцию гена люциферазы поставить под контроль белка, вырабатываемого в циркадном ритме, концентрация люциферазы в клетке тоже будет осциллировать. В результате такая клетка в буквальном смысле медленно разгорается и медленно затухает, чтобы вновь разгореться примерно через 24 часа.

Каким образом единичная клетка бактерии отслеживает время суток? Прежде чем ответить на этот вопрос, можно задать другой: зачем клетке нужно знать время?

ПЕРВЫЕ ЧАСЫ

В главе 7 мы поговорим о том, что без повсеместного внедрения точных часов не было бы промышленной революции. Конвейерные линии, где каждый рабочий выполняет специфическую функцию, требуют координированной работы большого числа людей. Но задолго до промышленной революции, примерно за миллиард лет до ее начала, эволюция уже создала биологические фабрики и решала проблемы координации процессов во времени. Наиболее важная конвейерная линия на планете Земля — это фотосинтез: серия биохимических процессов, в которых фотоны солнечного света взаимодействуют с множеством белков, что приводит к созданию устойчивых и богатых энергией молекул, самой известной из которых является глюкоза.

Цианобактерии — один из видов фотосинтезирующих организмов, а фотосинтез — работа дневная. Как никакой владелец завода не захочет платить рабочим, чтобы они просиживали на работе всю ночь и при этом ничего не делали, так и цианобактерии не могут растрачивать энергию на синтез белков фотосинтеза в ночное время. Однако необходимо, чтобы с первыми лучами солнца эти молекулы уже были готовы к работе для максимально эффективного использования доступной солнечной энергии. Эволюция решила эту задачу, изобретя биологический будильник, возвещающий о приближающемся восходе Солнца. Таким образом, одной из движущих сил эволюции циркадного ритма была необходимость точной координации клеточных функций с циклом смены дня и ночи, связанным с вращением Земли (рис. 3.2).