Уникальность супрахиазматического ядра еще и в том, что в его клетках работают так называемые часовые гены. Эти гены были впервые обнаружены у плодовой мушки дрозофилы в аналоге головного мозга позвоночных животных - головном ганглии, протоцеребруме. Часовые гены млекопитающих по своей нуклеотидной последовательности оказались очень похожи на гены дрозофилы. Выделяют два семейства часовых генов - периодические (Пер1, 2, 3) и криптохромные (Кри1 и 2). Продукты деятельности этих генов, Пер- и Кри-белки, обладают интересной особенностью. В цитоплазме нейронов они образуют между собой молекулярные комплексы, которые проникают в ядро и подавляют активацию часовых генов и, естественно, выработку соответствующих им белков. В результате концентрация Пер- и Кри-белков в цитоплазме клетки уменьшается, что снова приводит к "разблокированию" и активации генов, которые начинают производить новые порции белков. Так обеспечивается цикличность работы часовых генов. Предполагается, что часовые гены как бы настраивают биохимические процессы, происходящие в клетке, на работу в циркадном режиме, но то, как происходит синхронизация, пока непонятно.
Интересно, что у животных, из генома которых генно-инженерными методами исследователи удалили один из часовых генов Пер 2, спонтанно развиваются опухоли крови - лимфомы.
Световой день и биоритмы
Циркадные ритмы "придуманы" природой, чтобы приспособить организм к чередованию светлого и темного времени суток и поэтому не могут не быть связаны с восприятием света. Информация о световом дне поступает в супрахиазматическое ядро из светочувствительной оболочки (сетчатки) глаза. Световая информация от фоторецепторов сетчатки, палочек и колбочек по окончаниям ганглионарных клеток передается в супрахиазматическое ядро. Ганглионарные клетки не просто передают информацию в виде нервного импульса, они синтезируют светочувствительный фермент - меланопсин. Поэтому даже в условиях, когда палочки и колбочки не функционируют (например, при врожденной слепоте), эти клетки способны воспринимать световую, но не зрительную информацию и передавать ее в супрахиазматическое ядро.
Можно подумать, что в полной темноте никакой циркадной активности у супрахиазматического ядра наблюдаться не должно. Но это совсем не так: даже в отсутствие световой информации суточный цикл остается стабильным - изменяется лишь его продолжительность. В случае когда информация о свете в супрахиазматическое ядро не поступает, циркадный период у человека по сравнению с астрономическими сутками удлиняется. Чтобы доказать это, в 1962 году "отец хронобиологии" профессор Юрген Ашофф, о котором шла речь выше, на несколько дней поместил в абсолютно темную квартиру двух волонтеров - своих сыновей. Оказалось, что циклы "бодрствование - сон" после помещения людей в темноту растянулись на полчаса. Сон в полной темноте становится фрагментар ным, поверхностным, в нем доминирует медленноволновая фаза. Человек перестает ощущать сон как глубокое отключение, он как бы грезит наяву. Через 12 лет француз Мишель Сиффрэ повторил эти эксперимен ты на себе и пришел к аналогичным результатам. Интересно, что у ночных животных цикл в темноте, наоборот, сокращается и составляет 23,4 часа. Смысл таких сдвигов в циркадных ритмах до сих пор не вполне ясен.
Изменение длительности светового дня влияет на активность супрахиазматического ядра. Если животных, которых в течение нескольких недель содержали в стабильном режиме (12 часов при свете и 12 часов в темноте), затем помещали в другие световые циклы (например, 18 часов при свете и 6 часов в темноте), у них происходило нарушение периодичности активного бодрствования и сна. Подобное происходит и с человеком, когда изменяется освещенность.
Цикл "сон - бодрствование" у диких животных полностью совпадает с периодами светового дня. В современном человеческом обществе "24/7" (24 часа в сутках, 7 дней в неделе) несоответствие биологических ритмов реальному суточному циклу приводит к "циркадным стрессам", которые, в свою очередь, могут служить причиной развития многих заболеваний, включая депрессии, бессонницу, патологию сердечно-сосудистой системы и рак. Существует даже такое понятие, как сезонная аффективная болезнь - сезонная депрессия, связанная с уменьшением продолжительности светового дня зимой. Известно, что в северных странах, например в Скандинавии, где несоответствие длительно сти светового дня активному периоду особенно ощутимо, среди населения очень велика частота депрессий и суицидов.
При сезонной депрессии в крови больного повышается уровень основного гормона надпочечников - кортизола, который сильно угнетает иммунную систему. А сниженный иммунитет неминуемо ведет к повышенной восприимчивости к инфекционным болезням. Так что не исключено, что короткий световой день - одна из причин всплеска заболеваемости вирусными инфекциями в зимний период.
Суточные ритмы органов и тканей
На сегодняшний день установлено, что именно супрахиазматическое ядро посылает сигналы в центры мозга, ответственные за циклическую выработку гормонов-регуляторов суточной активности организма. Одним из таких регуляторных центров служит паравентрикулярное ядро гипоталамуса, откуда сигнал о "запуске" синтеза гормона роста или АКТГ передается в гипофиз. Так что супрахиазматическое ядро можно назвать "дирижером" циркадной активности организма. Но и другие клетки подчиняются своим циркадным ритмам. Известно, что в клетках сердца, печени, легких, поджелудочной железы, почек, мышечной и соединительной тканей работают часовые гены. Деятельность этих периферических систем подчинена своим собственным суточным ритмам, которые в целом совпадают с цикличностью супрахиазматического ядра, но сдвинуты во времени. Вопрос о том, каким образом "дирижер циркадного оркестра" управляет функционированием "оркестрантов", остается ключевой проблемой современной хронобиологии.
Циклично функционирующие органы довольно легко вывести из-под контроля супрахиазмати ческого ядра. В 2000-2004 годах вышла серия сенсационных работ швейцарской и американской исследовательских групп, руководимых Юли Шиблером и Майклом Менакером. В экспериментах, проведенных учеными, ночных грызунов кормили только в светлое время суток. Для мышей это так же противоестественн о, как для человека, которому давали бы возможность есть только ночью. В результате циркадная активность часовых генов во внутренних органах животных постепенно перестраивал ась полностью и переставала совпадать с циркадной ритмикой супрахиазматического ядра. Возвращение же к нормальным синхронным биоритмам происходило сразу после начала их кормления в обычное для них время бодрствования, то есть ночное время суток. Механизмы этого феномена пока неизвестны. Но одно ясно точно: вывести все тело из-под контроля супрахиазматического ядра просто - надо лишь кардинально изменить режим питания, начав обедать по ночам. Поэтому строгий режим приема пищи не пустой звук. Особенно важно следовать ему в детстве, поскольку биологические часы "заводятся" в самом раннем возрасте.
Сердце, как и все внутренние органы, тоже обладает собственной циркадной активностью. В искусственных условиях оно проявляет значительные циркадные колебания, что выражается в циклическом изменении его сократительной функции и уровня потребления кислорода. Биоритмы сердца совпадают с активностью "сердечных" часовых генов. В гипертрофированном сердце (в котором мышечная масса увеличена из-за разрастания клеток) колебания активности сердца и "сердечных" часовых генов исчезают. Поэтому не исключено и обратное: сбой в суточной активности клеток сердца может вызвать его гипертрофию с последующим развитием сердечной недостаточности. Так что нарушения режима дня и питания с большой вероятностью могут быть причиной сердечной патологии.
Суточным ритмам подчинены не только эндокринная система и внутренние органы, жизнедеятельность клеток в периферических тканях тоже идет по специфической циркадной программе. Эта область исследований только начинает развиваться, но уже накоплены интересные данные. Так, в клетках внутренних органов грызунов синтез новых молекул ДНК преимущественно приходится на начало циркадной ночи, то есть на утро, а деление клеток активно начинается в начале циркадного дня, то есть вечером. Циклически меняется интенсивность роста клеток слизистой оболочки рта человека. Что особенно важно, согласно суточным ритмам меняется и активность белков, отвечающих за размножение клеток, например топоизомеразы II a - белка, который часто служит "мишенью" действия химиотерапевтических препаратов. Данный факт имеет исключительное значение для лечения злокачественных опухолей. Как показывают клинические наблюдения, проведение химиотерапии в циркадный период, соответствующий пику выработки топоизомеразы, намного эффективнее, чем однократное или постоянное введение химиопрепаратов в произвольное время.
Ни у кого из ученых не вызывает сомнения, что циркадные ритмы - один из основополагающих биологических механизмов, благодаря которому за миллионы лет эволюции все обитатели Земли приспособились к световому суточному циклу. Хотя человек и является высокоприспособленным существом, что и позволило ему стать самым многочисленным видом среди млекопитающих, цивилизация неизбежно разрушает его биологический ритм. И в то время как растения и животные следуют природной циркадной ритмике, человеку приходится намного сложнее. Циркадные стрессы - неотъемлемая черта нашего времени, противостоять им крайне непросто. Однако в наших силах бережно относиться к "биологическим часам" здоровья, четко следуя режиму сна, бодрствования и питания.
Мы без труда замечаем ритмические изменения, происходящие в окружающем нас мире: весна, лето, осень и зима образуют привычный цикл; солнце всходит каждый день, движется по небу и садится; луна прибывает и убывает; в океане приливы чередуются с отливами. Задолго до того, как люди узнали о вращении Земли и движении планет вокруг Солнца, они наблюдали эти изменения, задумывались об их смысле, устраивали в их честь церемонии и праздники, приурочивали к ним свою каждодневную деятельность. Популярные в средневековой Европе «часословы» описывали различные виды сезонной и суточной активности и предлагали верующим для каждого случая специальные молитвы.
В организме тоже есть свои ритмы, многие из которых связаны с земными циклами и даже приспособлены к ним. Большинство ритмических изменений мы даже не замечаем - таковы, например, гормональные приливы и отливы, циклы быстрой и медленной активности мозга, циклические колебания температуры тела. Хотя нам мало что известно об отдельных исполнителях, мы определенно знаем, что роль дирижера, управляющего биологическими ритмами, в человеческом организме принадлежит мозгу.
Однако ритмы существуют и у организмов с менее развитым мозгом и даже совсем без мозга. На песчаных пляжах залива Кейп-Код встречается один вид золотистых водорослей. Во время прилива эти одноклеточные организмы находятся в песке, но как только начинается дневной отлив, водоросли продвигаются между песчинками и выбираются на солнце, чтобы подзарядить свой аппарат фотосинтеза. Незадолго до того как волны возвращающегося прилива накроют их, водоросли вновь уходят на безопасную глубину.
Разумеется, приливы не происходят каждый день в одно и то же время. Наши часы отражают 24-часовые солнечные сутки, а цикл приливов и отливов связан с лунными сутками, длина которых 24,8 ч. Поэтому если в понедельник водоросли атлантического побережья северо-востока Соединенных Штатов должны успеть зарыться в песок в 14 ч 1 мин, то во вторник - в 14 ч 57 мин, в среду - в 15 ч 55 мин и т.д.
Зависит ли поддержание столь сложного ритма у этих одноклеточных растений от их реакции на сигналы, поступающие из внешней среды? Чтобы выяснить это, представителей популяции водорослей перенесли с песчаного пляжа в лабораторию и поместили в сосуд, находившийся в условиях постоянного освещения. Приливов - или их имитации - в лаборатории тоже не было. Оказалось, что, несмотря на отсутствие показателей времени - дней и ночей, приливов и отливов, - водоросли упорно карабкались на поверхность, когда на их родном пляже начинался отлив, и вновь зарывались в песок незадолго до того, как подступала вода. Водоросли были настолько пунктуальны, что экспериментаторы всегда могли судить по ним об уровне воды на берегу океана, находившемся на расстоянии более 27 миль. Очевидно, что поведением водорослей управляли биологические часы, установленные по лунному времени.
Типы ритмов
Золотистые водоросли демонстрируют суточный ритм, хотя их сутки и составляют 24,8 ч. Подобные ритмы называются циркадианными (от латинских слов circa - около и dies - день) или околосуточными.
Цикл сна и бодрствования у человека, суточные колебания температуры тела, концентрации гормонов, мочеотделения, спады и подъемы умственной и физической работоспособности - все это примеры циркадианных ритмов.
Ритмы с периодом более суток называются инфрадианными (infra - меньше, т.е. цикл повторяется меньше одного раза в сутки). Некоторые грызуны, например, ежегодно впадают в зимнюю спячку; при этом температура тела у них падает, и они на протяжении нескольких месяцев пребывают в состоянии полного покоя. Этот годичный цикл относится к инфрадианным ритмам, так же как, например, менструальные циклы у женщин.
Ритмы с периодом меньше суток называются улътрадианными (ultra - сверх, т.е. частота больше одного раза в сутки). Цикличность фаз, чередующихся на протяжении 6-8-часового нормального сна у человека, - один из многих примеров подобных ритмов.
Интерес к биоритмам не ограничивается только стремлением узнать, как функционируют живые существа. Сведения о «приливах» и «отливах» тех иных продуктов, синтезируемых организмом, мог подсказать, например, какое время дня наибе благоприятно для приема определенных лекарств. Эксперименты на мышах показали, что чувствительность этих животных к токсичным веществам резко меняется на протяжении суток. Мыши активны ночью, и в это время они могут без последствий переносить такую дозу препарата, которая днем окажется смертельной или вызовет сильную реакцию. Как показали результаты одного исследования, из мышей, получавших бактериальный токсин в ранние вечерние часы, погибло 80%, а из животных, получавших такую же дозу среди ночи, - лишь 20% (Halberg, 1960). Далее, диагностика многих заболеваний связана с измерением концентрации некоторых веществ в крови или моче. Зная суточные колебания этих показателей, мы сможем поставить более точный диагноз.
Большинство исследований по биологическим ритмам проводилось на растениях, птицах, других животных (эксперименты на человеке допустимый лишь в том случае, если они не причиняют вреда, так что возможности здесь весьма ограниченны). Исследователи пытаются выяснить: какова функциональная организация ритма;2) где находятся структуры, задающие ритм («пейсмейкеры»), и каков физиологический механизм их действия;3) какие клеточные и биохимические механизмы обусловливают генерацию ритма в самих пейсмейкерах.
Изучение ритмов у живых организмов (кроме человека)
Более 250 лет назад французский астроном Жан-Жак д'Орту де Меран, заметив, что цветок гелиотропа раскрывается днем и закрывается ночью, решил проверить, обусловлено ли движение лепестков реакцией на свет и темноту. Он спрятал растение в темную комнату и начал наблюдать за ним. Оказалось, что цветок не только продолжал раскрываться и закрываться в отсутствие света, но его цикл в точности соответствовал смене дня и ночи. Астроном пришел к выводу, что ритмы растения контролируются каким-то внутренним механизмом.
Цветы с такой пунктуальностью ежедневно раскрывают и закрывают свои лепестки, что великий биолог Карл Линней спроектировал цветочные часы, состоящие из различных видов цветущих растений, которые распускались поочередно от 6 часов утра до 6 часов вечера. реакция цветка на свет - он раскрывается на свету и закрывается в темноте - называется - фототропизм.
Простые организмы
Водоросли, с такой поразительной регулярностью осуществляющие свои циклы на песчаных пляжах залива Кейп-Код, состоят всего лишь из одной клетки. Следовательно, механизм, ответственный за циркадианные ритмы их активности, должен находиться внутри клетки. Однако и по сей день все попытки идентифицировать (в анатомических или функциональных понятиях) пейсмейкер или хотя бы какую-то его часть не увенчались успехом. Водоросль подвергали воздействию высоких температур или потенциально разрушительных химикалий, но она упорно продолжала делать свое дело.
У другого одноклеточного организма - Gonyaulax - наблюдаются четыре различных циркадианных ритма, затрагивающих соответственно четыре функции: фотосинтез, люминесценцию, раздражимость, клеточное деление. Определяются ли эти ритмы одним и тем же пейсмейкером или четырьмя различными? Ответ на этот вопрос пока не получен. Даже после удаления клеточного ядра микрохирургическим способом ритмы сохраняются.
Один из хорошо изученных многоклеточных организмов - Aplysia califopnica, слизнеподобное существо, жизнь которого тесно связана с тихоокеанскими приливами (см. рис. 76). Аплизия - очень удобный объект для исследований, так как связи и функции ее крупных нейронов довольно легко поддаются выявлению. Феликс Штрумвассер обнаружил у некоторых нейронов наружного края глаза определенный ритм частоты импульсного разряда - она возрастает на свету и уменьшается в темноте. Если эти нейроны выделить, поместить в ванночку с морской водой и выдерживать в абсолютной темноте, то их импульсация останется такой же, как если бы они находились внутри живого организма. Очевидно, ритм этих нейронов, помогающий организму согласовывать суточные циклы питания и покоя со сменой дня и ночи, приливами и отливами, регулировался процессами, происходящими внутри самих нейронов. Но каковы эти процессы, пока еще, как и в случае с одноклеточной водорослью, не установлено, хотя ученые полагают, что существует какая-то связь между скоростью белкового синтеза в клетке и ее ритмом.
Страницы: 1, 2
