Глава первая. Часы всего живого
страница №2
... выделили в чистом виде в 1959г. американские биологи X. Бортвик, М.Паркер и С.Хендрикс. Фитохром может с равной легкостью находиться в любом из двух состояний: Ф-660 или Ф-735. Этим он несколько напоминает маятник: тот ведь тоже отклоняется то в одну, то в другую сторону. А цифры показывают, что превращения связаны со светом определенной длины волны.Осветите растение красным светом с длиной волны 660 миллимикрон, и спустя некоторое время фитохром очутится в фазе Ф-735. Переход в состояние Ф-660 возможен двояким способом: надо или включить свет, близкий к инфракрасному, с длиной волны 735 миллимикрон, или вообще выключить всякое освещение и предоставить дело времени. Тогда в темноте фитохром Ф-735 сам собой постепенно преобразуется в Ф-660.
Увы, превращения фитохрома, как ни важны они для нормального развития растений, - это лишь один из множества колебательных процессов, обнаруженных у представителей флоры. Фитохром ничего не объяснил. Дело осложнилось тем, что колебательные процессы были найдены не только у растений в целом, но даже у клеток! Ритмические изменения химического состава, скорости синтеза нуклеиновых кислот, размеры ядра - уж куда идти дальше?
Но и клетка, как стало ясно, вовсе не последняя инстанция в биологическом "часовом деле". Биолог Лев Рапкин открыл в протоплазме клеток особое вещество, содержащее серу, - его условно назвали SH. Когда клетка делится, это вещество то окисляется, то снова восстанавливается, причем восстановление в SH форму происходит именно перед актом деления, а окисление - вслед за ним, "Цикл Рапкина", как считали биологи, - это своеобразная сигнализация. И вдруг все оказалось не так.
Смуту посеял в конце шестидесятых годов японский биофизик Мано. Он извлек из яиц морского ежа протоплазму - опыт очень сложный, требующий филигранной техники, - и в этом "бульоне", лишенном клеточных ядер, концентрация SH продолжала изменяться. А надо сказать, что наличие и самого ядра и мембраны между ядром и протоплазмой считалось принципиально необходимым, чтобы мог идти циклический, колебательный процесс, управляющий делением. Выходит, "сигнальная лампочка" является чем-то совершенно самостоятельным.
Биологи подвели неутешительные итоги: биочасы неуловимы, словно призрак. Каждый раз, когда исследователь готов крикнуть "Эврика!", в какой-то лаборатории делают опыт, перечеркивающий все прежние гипотезы.
Отчаявшиеся биологи обратились к математике. Может быть, она сумеет обобщить лавину разнородных сведении, накопленных со времен Де Мэрана? Может быть, в сети дифференциальных уравнений наконец попадутся ускользающие часы?
Одну из математических моделей предложил кандидат физико-математических наук Л.Я.Фукшанский, работающий в Агрофизическом институте в Ленинграде. Ему удалось даже предсказать несколько новых эффектов, не подмеченных до той поры на живых растениях. Опыт подтвердил феномены, найденные на кончике пера... вернее, на ленте ЭВМ.
И все-таки... Все-таки даже эта наиболее полная модель не ответила на главный вопрос: что такое биочасы, где их искать.
Разгадка - в энергетике?
Кандидат физико-математических наук Евгений Евгеньевич Сельков, который работает в Институте биофизики АН СССР и с которым я по телефону поделился своими сомнениями, пообещал рассказать "кое-что интересное". Я уже знал, что он - по образованию инженер-кинотехник, работал в Институте кибернетики в Киеве, а в Пущине его пригласили за идеи по части обратной связи в биологических системах.
Теория обратной связи - краеугольный камень любых генераторов колебаний: радиотехнических, электрических, химических, биологических. Биологи шутливо называют конструкции с обратной связью системами типа "волки и овцы".
Представьте лес, полный волков, а рядом - поле с пасущимися овцами. Мы будем недалеки от истины, если предположим, что скорость размножения хищников окажется прямо пропорциональна тому, сколько они сожрут травоядных. Волков будет становиться все больше, а овец - меньше. В конце концов еды станет так мало, что зубастые ослабеют и примутся умирать с голоду. Оставленное в покое поголовье жвачных немедля возрастет, а отъевшиеся на нем хищники снова примутся усиленно размножаться, чтобы опять перевести чуть ли не всех овец и снова дойти до границы вымирания. Многие колебательные системы могут быть описаны таким способом, в том числе и биочасы. Вопрос только, где искать волков и где - овец.
В лаборатории кроме нескольких цветков на окне не было ничего, что указывало бы на биологический характер занятий ее сотрудников. Конторские столы завалены широкими бумажными лентами, на которых ЭВМ рисуют графики и печатают длиннющие колонки цифр. В картонных коробках виднелись аккуратно свернутые в рулончики узкие перфоленты, испещренные дырочками. Бесшумный электронный арифмометр - настольная вычислительная машина для простых расчетов. И никаких микроскопов.
- Мы математики, - заметил Е.Е.Сельков в ответ на мое озирание по сторонам. - Экспериментаторы открывают, мы обобщаем. Пока на уровне клетки. В ней еще многое непонятно, а через сколько десятилетий наука дойдет до понимания более сложных биочасов, это вам вряд ли кто сумеет сказать.
- Все-таки клетка? - спросил я.
- Да. Плюс математика. В разгадке биоритмов математический метод, думается, будет самым продуктивным.
До сих пор клетку изучали по методике, давным-давно разработанной радистами. Ведь когда радист исследует незнакомую аппаратуру, он отключает по одному блоки, входящие в нее, и смотрит, что получится. При известном опыта можно довольно точно выяснить, какой блок за что ответствен, и нарисовать принципиальную схему всей системы. Единственно, когда этот в общем хороший способ может подвести, - это когда конструктор ради надежности применит резервирование, т.е. если вместо одного блока одни и те же функции будут выполнять два, три или еще больше блоков. Тогда выключай почти что угодно, - система будет работать, как работала.
К чему я все это рассказываю? Биофизики отлично научились выключать в живой клетке чуть ли не любой процесс. Для этого в нее вводят специальные вещества - ингибиторы, "останавливатели", если буквально перевести с латинского. И вот, какие бы механизмы обмена веществ в клетке ни выключали, ее биочасы упорно продолжали тикать, циклическая деятельность не прекращалась.
- Часы не связаны с обменом веществ?
- Нет, связаны. Но не просто. А не увидели этого потому, что тут злую шутку сыграла логическая ошибка, тем более странная, что ее допустили биофизики и биологи. Они искали один-единственный механизм, один ключ к разгадке биочасов. Между тем мы прекрасно знаем, что природа никогда не довольствуется одним решением. Она устраивает несколько цепей, работающих параллельно, - почему же биочасам должно быть сделано исключение? Отсекая одну ветвь, экспериментаторы не задевали других, а в этом случае, как мы уже говорили, методика "выключения" блоков пасует.
Правда, Мано проделал один опыт: блокировал ингибитором процесс гликолиза, т.е. превращения глюкозы в пировиноградную кислоту, - и часы мгновенно замирали. На это возражали: гликолиз - основа энергетики клетки, ее "электростанция". Когда из розетки выдергивают шнур, лампочка гаснет. Остановили гликолиз - клетка замерла. И опыту особого значения не придал даже сам Мано. Хотя, как мы сейчас увидим, он был очень близок к цели.
А стало это нам вполне понятно, когда мы узнали о работе, которую провел со своими коллегами американский биофизик К.Питтендрик, давно уже занимающийся биочасами. Есть такая распространенная водоросль - эвглена зеленая, ее даже школьники изучают. Любимый объект для экспериментов по биофизике, уж очень с ней удобно работать. Питтендрик добавлял в воду, где она находилась, вещества, никакого отношения к ингибиторам не имеющие: пировиноградную, яблочную, ацетоуксусную кислоты. А часы - как и в опыте Мано - останавливались.
Вернее, почти как в опыте Мано, и это "почти" чрезвычайно важно для всего дальнейшего. Они останавливались не навсегда. Ритмика только ненадолго замирала, а потом все возвращалось "на круги своя".
Это была первая загадка: почему безобидные вещества воздействуют столь активно?
А вторая загадка оказалась еще любопытнее: ход часов восстанавливался в другой фазе.
- Понимаю. Цикл колебаний начинался "не с того места"?
- Совершенно верно. Представьте два одинаковых маятника. Они могут качаться либо строго "в ногу", либо так же строго навстречу друг другу, либо с небольшим рассогласованием, - в любом случае перед нами разные фазы колебаний одного маятника относительно другого. Если остановить один маятник, а потом снова пустить в ход, новые колебания будут, вообще говоря, в иной фазе относительно прежних.
То, что у Питтендрика "маятник" биочасов останавливался, а потом снова шел в другой фазе, как раз и означало, что вещества, которые добавлялись в воду, действовали словно останавливающая рука.
Почему же Питтендрик и его сотрудники не увидели "колебаний маятника"? Должно быть, сыграла роль традиция. Все кислоты, останавливавшие маятник биоритмики эвглены, связаны с энергетическими процессами в клетке. А традиционно считалось, что энергетика клетки прямого отношения к часам не имеет. Поддерживать колебания - пожалуйста, но не более того.
- Мы в нашей лаборатории, - продолжал Евгений Евгеньевич, - сопоставили опыты Мано и Питтендрика, и нам стало ясно, что если и искать механизм биочасов, так только в этих "запрещенных" энергетических процессах.
Вы спросите: какие мы поставили опыты? Никаких. Мы ведь математики все-таки. И потом, вспомните о резервировании реакций. Можно быть заранее уверенным, что природа нас обманет, включит резервную цепь. Их ведь у нее множество. Чтобы получить энергию, клетка "сжигает" жиры или глюкозу, а нет глюкозы - в дело пойдет фруктоза или молочная кислота... Пока что мы устраиваем опыты на бумаге - с помощью, разумеется, ЭВМ.
Часы без колесиков
Прежде всего Е.Е.Сельков и его коллеги приняли во внимание, что энергетические процессы в клетке - это реакции, в которых или синтезируется, или разлагается АТФ - аденозинтрифосфорная кислота. Она поистине вездесуща, клетка без нее мертва. Различные внутриклеточные синтезы, выделение и транспортировка веществ от одной части клетки к другой, управление реакциями, чисто механическая работа сокращения мышц - всюду мы непременно столкнемся с АТФ.
Во-вторых, из очень высокой стабильности хода биочасов (на частоту циклических процессов почти не влияет, например, изменение температуры) вытекало, что предполагаемая реакция идет с большой скоростью. Подробное объяснение уведет нас далеко, поэтому прошу просто поверить в то, что медленными реакциями стабильности не достичь. Так оказались "вне подозрений" все синтезы нуклеиновых кислот и белков, "по долгу службы" идущие неторопливо. Остались жирные кислоты, гликоген и аминокислоты, в паре с которыми АТФ участвует в "быстроходных" реакциях. Но...
Тут исследователей поджидало знаменитое "но", которое, как утверждает Чехов, часто встречается в рассказах потому, что жизнь полна неожиданностей.
Часам ведь свойствен ритм! Суточный! А реакции, которые выглядели кандидатами на механизм часов, быстры. Вот и извольте составить уравнение процесса, который был бы в одно и то же время быстр (стабильность) и медлен (ритм). Каково?
Над решением бились два года. Перебрали массу вариантов, и к 1969г. стало ясно, что все-таки могут существовать такие внешне противоречивые, а внутренне очень логичные реакции. Суть дела - в "складах".
Без них никакое живое существо жить не в состоянии. Запасы "на черный день" организм делает чрезвычайно охотно, толстяки и дамы, следящие за фигурой, осведомлены об этом более чем хорошо. Накапливаются жиры, белки, гликоген - животный крахмал (у него очень красивая структурная формула: словно дерево с множеством веточек). Все эти вещества в трудную минуту превращаются в тот исходный продукт, из которого были созданы.
Гликоген, скажем, становится снова глюкозой.
И здесь я должен сделать одну оговорку. Я был не совсем точен, утверждая, что запасы расходуются только в трудную минуту. Дело обстоит сложнее. Они и расходуются, и не расходуются. Поддерживается динамическое равновесие: сколько расходуется, столько немедленно пополняется, так что в целом запас остается неизменным.
"Склады" велики. Полное обновление запасов происходит неторопливо. На это уходит практически столько же времени, сколько понадобилось бы, чтобы дочиста израсходовать все запасенное. На накопленном в организме жире человек может просуществовать без пищи почти месяц, лишь бы вода была. Зато гликоген исчерпается быстрее, примерно за сутки. Сутки...
Гликоген, как вы помните, клетка получает из глюкозы. В Пущине создали математическую модель расходования глюкозы, существенно отличающуюся от традиционной: в схеме появился "склад".
Раньше процесс выглядел так. Клетка получает откуда-то (откуда - не так уж важно) глюкозу и тратит АТФ на различные превращения этой глюкозы. В конце концов получается пировиноградная кислота, которой клетка распоряжается, как ей нужно, а кроме того выделяется свободная АТФ.И самое замечательное: ее образуется больше, чем было израсходовано. Что с этой разницей делает клетка?
Прежде на вопрос не было ответа. Но теперь, когда появился "склад", процесс стал понятен. Оказывается, АТФ не только перерабатывает глюкозу по обычной схеме, но и частично превращает ее в гликоген, который откладывается "про запас". Дополнительная же АТФ, полученная вместе с пировиноградной кислотой, идет на переработку глюкозы в гликоген, т.е. увеличивает объем "склада".
И круг замкнулся. Волки принялись кушать овец.
Чем больше поступает АТФ в "голову" процесса, тем быстрее расходуется принесенная извне глюкоза, тем больше образуется на "выходе" АТФ - словно маятник летит все выше и выше. В конце концов наступает момент, когда глюкозы становится так мало, что скорость ее потребления для переработки в гликоген и пировиноградную кислоту несколько уменьшается. На выходе системы уменьшается объем АТФ, соответственно и скорость потребления глюкозы падает еще значительнее. Маятник качнулся в обратную сторону.
Какова же задача "склада"? Он играет роль тормоза, замедляющего скорость игры в "волки и овцы". Во сколько раз масса глюкозы, запасенной в гликогене "склада", больше массы, переработанной в пировиноградную кислоту, во столько раз замедляются колебания "маятника". Быстрый процесс прямого превращения, гарантирующий стабильность хода биочасов, приобретает одновременно нужную медленность - период порядка суток.
Разработанная Е.Е.Сельковым и его товарищами схема объяснила и такую особенность живых часов, как нечувствительность периода к изменениям температуры. Это свойство было получено в придачу к разгадке медленных колебаний, как следствие внутренних особенностей модели.
А опыты, проделанные, в ФРГ и Японии на живых клетках, полностью подтвердили математическую гипотезу советских ученых. Она вполне убедительна, а самое главное - опирается на такое фундаментальное свойство организма, как запасание и расходование энергии.
Ничего таинственного нет в суточных циклах. Они сложились еще на заре зарождения жизни на планете, когда, так же как и сейчас, день сменялся ночью и живые организмы с суточной ритмичностью запасали энергию солнечного света. Иная частота попросту невыгодна.
И тема, к которой мы перейдем в следующей главе, посвящена тому, как Homo sapiens научился использовать энергию солнца на уровне уже не одного организма, а коллектива людей.