Глава 1. Введение в хронобиологию

Глава 1. Введение в хронобиологию

 

Универсальность феномена ритмичности в природе

Ритмичность биологических процессов - неотъемлемой свойство живой материи. Еще 20 лет назад эту, казалось бы, прописную истину, приходилось отстаивать и доказывать с большим трудом, а иногда и безрезультатно. Теперь же вопрос о том, что любое биологическое явление, любая физиологическая реакция периодичны ни у кого не вызывает сомнения.

Живые организмы в течение многих миллионов лет живут в условиях ритмических изменений геофизических параметров среды. При этом всём, ходом эволюции у них выработалась временная последовательность взаимодействия различных функциональных систем организма, которая способствует гармоническому согласованию различных ритмических процессов как внутри так и в окружающей среде и тем самым поддерживает нормальную жизнедеятельность целостного организма.

Дело в том, что циклические колебания физиологических процессов с точки зрения энергетики биологически целесообразны, выгодны и соответствуют принципу оптимальной организации. Биологические ритмы выявлены на всех уровнях организации жизни, начиная от простейших биохимических реакций организма в клетке и кончая сложными поведенческими реакциями.

Интерес к биологическим ритмам прослеживается на протяжении двух с половиной тысячелетий, а письменные свидетельства об этом восходят ко времени древнегреческого поэта Архилока, который писал: "Познай какой ритм владеет людьми!" Значимость биологических ритмов была оценена Гиппократом, Аристотелем. В IY веке до нашей эры Аристотель писал: "Продолжительность всех таких явлений совершенно естественно измерять периодами, Я называю периодами день и ночь, месяц, год и времена измеряемые ими, кроме того, лунные периоды."

Греческий врач Герофил из Александрии еще за 300 лет до нашей эры обнаружил, что пульс у здорового человека меняется в течение дня. На периодичность как основное свойство живых систем и их взаимосвязь с окружающей средой обращали внимание в средневековой науке, деятели эпохи возрождения. С древних времен мышлению человека было свойственно искать постоянство, повторяемость в явлениях, связь жизненных процессов с окружающими условиями.

Более 200 лет назад астроном Мэран описал опыты, в которых показал, что у растений, выдерживающихся в темноте при постоянной температуре, можно обнаружить ту суточную периодичность движения листьев, что и у растений, содержащихся в нормальных условиях освещения. Дюамель в 1758 году подтвердил эти опыты и провел эксперименты в пещерах. Все последующие эксперименты подтвердили, что растениям и животным присуще внутренне чувство времени.

Состоявшийся в 1960 году Международный симпозиум по биологическим часам утвердил положение хронобиологии как науки. К сожалению, у нас в стране, несмотря на появляющуюся изредка информацию о биологических часах, данная проблема оставалась как бы в тени. За последние 20 лет появились очень серьезные монографии и статьи, посвященные изучению временной организации биологических объектов. Список рекомендованной литературы Вы можете найти в конце этой лекции.

 

Глава 2. Циркадные ритмы в биологии и медицине.

 

Космобиологические периоды.

В течение суток отмечено 7 разных периодов, продолжительностью около 3 часов каждый. Для каждого периода характерны свои свойства. Причем, каждый период, переходит в последующий постепенно, максимальной активности достигая к последнему получасу. Особое влияние на течение этих периодов оказывает новолуние, полнолуние, лунные или солнечные затмения.

Начало и окончание периодов приведены в таблице. Как видно из нее эти периоды не соответствуют друг другу в течение недели. Каждый начинается в разное время в разные дни недели. Эти периоды были предложены к использованию доктором С.А. Вронским после тщательной проверки.

КОСМОРИТМОЛОГИЧЕСКИЕ ПЕРИОДЫ ПО С.А. ВРОНСКОМУ

время	воскр.	понед.	вторн.	среда	четв.	пятн.	субб.
0.00-3.30
3.30-7.00
7.00-10.30
10.30-13.45
13.45-17.15
17.15-20.45
20.45-24.00

В первый период нежелательно осуществление любых хирургических вмешательств Нежелательны занятия экстрасенсорикой. В третий период наиболее активно действуют лекарственные средства. Четвертый период это наилучший период для хирургических действий и экстрасенсорной практики. В шестой период не рекомендуется назначать сильно действующие препараты. В седьмой период полученные травмы оставляют долгий след.

 

Ритмы питания

Питание – одна из приспособительных функций, обслуживаемых локомоцией, и не удивительно, что у таких активных видов, как тараканы, питание совпадает по фазе с локомоцией, хотя занимает лишь небольшую часть периода максимальной подвижности. У большинства летающих насекомых питание несовместимо с полетом, так что эти два вида поведения должны чередоваться во время максимума активности или же происходить в разных фазах. Например, у клопа Опсореltиs fаsciаtus – мигрирующего насекомого – наибольшая тенденция к полетам, длящаяся более 10 мин, проявляется в середине фотофазы (при СТ 16:8), тогда как максимум питания сдвинут к началу или концу этой фазы. У мухи цеце ритм чувствительности хоботка двухфазный, так же как и ритм полетной активности.

У более примитивных животных питание совпадает с локомоцией. Это характерно для организмов, отфильтровывающих планктон. Для многих сидячих животных единственной формой движения является процеживание окружающей воды, служащей для них источником пищи и кислорода. Двустворчатый моллюск Mytilus edulis прокачивает и фильтрует воду, и приливный ритм этой активности можно выявлять в постоянных условиях по скорости очистки воды от коллоидной взвеси графита. У некоторых других двустворчатых моллюсков наблюдаются приливно-отливные ритмы открытия раковины. Такие ритмы у моллюсков обычно имеют также четкие циркадианные составляющие; это наблюдается и у ракообразных.

Ритмы спаривания

Повышенная тенденция к спариванию в определенное время дня является, по-видимому, таким же фундаментальным ритмом поведения, как и циркадианные изменения в локомоторной активности. И у грибов, и у водорослей, и у простейших известны ритмы конъюгации.

У насекомых хорошо известны и широко изучались в лабораторных условиях циркадианные ритмы спаривания. К этой категории ритмов относится образование копуляционных роев (особенно у длинноусых двукрылых), выделение феромонов (особенно у ночных бабочек), «пение» (особенно у прямокрылых) и люминесценция (у светляков).

Апорhе1еs superpictus роится при постоянном слабом освещении с приблизительно суточными интервалами. У некоторых видов максимумы роения совпадают с резким повышением чувствительности к звуку, сопровождающему полет самки (вследствие распрямления антеннальных звукочувствительных волосков), только в течение примерно часа около максимума локомоторной активности в сумерки. Самец плодовой мушки при постоянных условиях проявляет реактивность в отношении самок с широким, но крутым максимумом в сумеречное время; в природных условиях этот максимум чувствительности сужен примерно до 30 мин из-за чувствительности самцов к критической низкой интенсивности света (10 лк). Точность границ таких временных «ворот» для спаривания служит механизмом межвидовой изоляции.

Наиболее изучены ритмы, связанные с половыми феромонами. Соответствующее поведение включает, по меньшей мере, три главных ритмических компонента. Во-первых, «привлекаемый» пол обычно проявляет локомоторную активность, пик которой совпадает с пиком для спаривания. Во-вторых, «призывное» поведение самок (или самцов), обычно связанное с уменьшением подвижности насекомого и с экспозицией железы, выделяющей феромон, почти всегда приурочено к определенному времени дня, с максимумом около середины локомоторной фазы у другого пола. В-третьих, у подвижного, привлекаемого пола имеется максимум чувствительности к феромону, совпадающий с пиком «призывного» поведения. «Привлекающий» пол в это время наиболее рецептивен по отношению к попыткам спаривания со стороны «привлекаемого». Для всех этих компонентов ритма было показано, что в постоянных условиях они ведут себя как свободнотекущие, хотя не для всех трех эти данные относятся к какому-то одному виду. Таким образом, циркадианный контроль полового поведения, опосредованного феромоном, несомненно, включает сложные взаимодействия антагонистических и сходных реакций у обоих полов; у одного пола подвижность возрастает, когда у другого снижается, и в то же время у обоих полов повышается чувствительность к стимулам, исходящим от другого пола.

У некоторых насекомых (например, у сверчков, цикад, комаров и плодовых мух) для сближения половых партнеров используются звуковые сигналы. У сверчков и кузнечиков был изучен ритмический контроль стрекотания и была установлена эндогенная природа ритма. Фазы максимального стрекотания обычно длятся несколько часов и значительно перекрываются у близких видов, так что механизм межвидовой изоляции должен быть связан с особенностями «песни», а не с временем стрекотания (сравните с данными о двукрылых, см. выше).

 

Чувство времени

У некоторых беспозвоночных имеется особого рода ритм, связанный с ориентацией по солнцу, т. е. менотаксической ориентацией, когда сохраняется постоянный угол относительно направления на солнце (или луну). Если путешествие коротко, значительной ошибки в направлении не возникает; но так как азимут солнца (угол между плоскостью меридиана и вертикальной плоскостью, проходящей через солнце) изменяется в среднем на 15° в час, то передвижение, которое длится около часа или дольше, будет неточным, если не вносить поправку на перемещение солнца. Пчелы, водомерки, песчаные скакуны, крабы и многие мигрирующие позвоночные— все способны вносить такую поправку.

У песчаных скакунов (береговые амфиподы) это проявляется следующим образом. Эти животные обитают в супралиторальной зоне, где днем они зарываются в песок, а ночью выходят добывать пищу, направляясь в сторону суши. Обеспокоенные чем-нибудь или по окончании кормежки животные возвращаются в свое убежище, двигаясь под углом 90° к местной береговой линии. Ориентируясь по луне, они с учетом времени находят этот угол с точностью примерно ±20°, что, по-видимому, достаточно для их целей. Более точный учет времени существует у пчел. Они способны находить источник пищи, запомнив направление к нему относительно солнца в другое время, и могут также указывать это направление другим пчелам, исполняя на соте «виляющий танец» (при этом они воспроизводят соответствующий угол относительно вертикали). Более того, «марафонские танцоры» в течение нескольких часов могут указывать направление к новому гнезду с точностью ±2° в любое время дня или ночи.

Эта способность, по крайней мере, у пчел, обусловлена циркадианным контролем поведения, на что указывает ее тесная связь с ритмом локомоции. Весьма важным циркадианным компонентом в ориентации по солнцу является способность в любой момент «знать» время суток независимо от внешних сигналов – как бы «постоянно действующие биологические часы». Очевидно, центральная нервная система может со значительной точностью (у пчел примерно,±8 мин) определять время в любой момент циркадианного цикла, так что поведение, требующее ориентации, постоянно сопряжено с циркадианной осцилляторной системой.

Колебатели in vitro.

Относительная легкость, с которой небольшие участки нервной системы беспозвоночных удается поддерживать в живом состоянии несколько дней или даже недель (в физиологическом растворе или в культуральной среде), позволила выявить в ряде случаев нейронные циркадианные колебатели. В этом плане наиболее изучен циркадианный ритм в изолированном глазу морского брюхоногого моллюска Арlysiа, ныне описанный у нескольких видов Глаз этого моллюска диаметром 0,5 – 1,0 мм, содержащий несколько тысяч клеток, весьма сложен как морфологически, так и в отношении синаптической организации. Сетчатка содержит клетки нескольких типов, в том числе, возможно, два вида первичных рецепторов, вторичные нейроны и нейросекреторные клетки, а также пигментированные опорные клетки. Зрительный нерв, соединяющий глаз с церебральным ганглием, имеет длину около 1 см и состоит из аксонов вторичных клеток сетчатки, а также некоторого числа тонких эфферентных волокон, идущих от церебрального ганглия к глазу. Активность глаза проявляется в виде составных потенциалов действия, регистрируемых в зрительном нерве, которые могут возникать как спонтанно, так и под влиянием света. Если удалить глаз, поместить его в профильтрованную морскую воду или в культуральную среду и держать в постоянной темноте, то частота и амплитуда составных потенциалов действия будет обнаруживать циркадианный ритм в течение нескольких дней. Фаза наибольшей активности глаза соответствует времени субъективного утра, если перед удалением глаза животное содержали при СТ 12: 12. Ритм глаза может быть захвачен световыми циклами также in vitro. Таким образом, глаз Арlysiа содержит как циркадианный колебатель, так и фоторецептор, необходимый для захватывания.

Циркадианные ритмы частоты потенциалов действия были обнаружены также в записях активности нервных корешков изолированных ганглиев. Наблюдали такой ритм при непрерывной регистрации активности перикардиального нерва, отходящего от абдоминального (или, иначе, париетовисцерального) ганглия Арlysiа, который несколько недель выдерживали in vitro.

Множественные колебатели

Циркадианная система у беспозвоночных состоит из нескольких осцилляторов. Существование двусторонних парных осцилляторов бесспорно у Арlуsia, у которых любой из двух глаз, будучи изолирован, может самостоятельно поддерживать циркадианный ритм. Данные, полученные на таракане, также указывают на двустороннюю парную колебательную систему: каждая из двух зрительных долей независимо от другой, способна поддерживать ритмичность,

Все это указывает на то, что для циркадианных систем беспозвоночных характерны и подлинно множественные (в отличие от двусторонних отнюдь не «избыточные» - как функционально, так и анатомически) колебатели. Например, у Ар1уsia помимо глазных осцилляторов существует, еще один осциллятор, расположенный в абдоминальном ганглии. У рака два отдельных осциллятора находятся в абдоминальном ганглии и глазных стебельках; еще один имеется в надглоточном ганглии. Наконец, у, тараканов и сверчков, есть циркадианный колебатель, находящийся вне зрительных долей.

Таким образом, у всех беспозвоночных, у которых основательно изучали локализацию биологических часов (за исключением бабочек-сатурний), были обнаружены системы из нескольких «неизбыточных» циркадианных колебателей. В связи с этим возникает ряд вопросов об организации циркадианной системы у этих организмов, а также вообще у многоклеточных. Вероятно, один из важнейших вопросов состоит в следующем: отражает ли «остаточная» ритмичность, часто наблюдаемая после удаления предполагаемого ведущего осциллятора, присутствие еще какого-то колебателя – существенного компонента биологических часов – или же это просто результат способности многих клеток или тканей совершать циркадианные колебания при благоприятных условиях? Если эти «остаточные» колебатели действительно играют важную роль в деятельности циркадианной системы, то являются ли они вторичными подневольными осцилляторами, находящимися под иерархическим контролем со стороны первичного ведущего осциллятора, как в абстрактной модели циркадианной системы Drosophila?Или это компоненты составного колебателя, состоящего из разветвленной сети взаимно сопряженных осцилляторов?

В трех случаях наличие двусторонних циркадианных осцилляторов у животных с билатеральной симметрией позволило изучить взаимосвязь колебателен в многоосцилляторной системе. Были детально изучены два вопроса, касающиеся двусторонних колебателей. Во-первых, эквивалентны ли два колебателя, левый и правый, в функциональном отношении? И, во-вторых, связаны ли они таким образом, что образуют составной колебатель, который ведет себя как один осциллятор?

У Ар1уsiа одновременная запись электрической активности двух глаз показала, что оба ритма частоты составных потенциалов действия практически совпадают по фазе, периоду и профилю. У тараканов не удалось измерить периоды левого и правого колебателей одной и той же особи. Тем не менее длительное измерение свободнотекущих ритмов активности у насекомых с одной интактной зрительной долей показало, что по крайней мере в среднемпериоды левого и правого колебателей одинаковы – при 24,5°С они составляют около 23,95 ч. Хотя окончательные выводы пока преждевременны, все же эти данные позволяют думать, что такая пара анатомически избыточных колебателей функционально тоже избыточна, по крайней мере в первом приближении.

Хадсон и Ликки исследовали соотношение фаз свободнотекущих ритмов в двух глазах моллюска Ар1уsiа при постоянной темноте или очень слабом постоянном освещении. Разность фаз для пар глаз, извлеченных спустя 0 – 7 дней после помещения животного в постоянные условия, лежала в пределах от 0 до 1 ч, т. е. ритмы оставались – синхронными. Однако после 8 дней разность фаз в большинстве случаев составляла уже 10 – 12 ч. Лишь немногие пары глаз оставались почти согласованными. Ни в одном случае не было отмечено разности фаз от 4 до 7,5 ч. Можно думать, что имеются два стабильных соотношения фаз между глазными осцилляторами: либо в фазе, либо в противофазе, а это в свою очередь означает, что оба колебателя взаимосвязаны. Между тем было показано, что ритм одного глаза может быть легко рассогласован по фазе с ритмом другого in vivo путем воздействия световыми циклами на один глаз; по-видимому, два колебателя сопряжены – сравнительно слабо.

Гипотеза взаимного сопряжения колебателей существенно опирается на предположение, что клетки зрительной доли, участвующие в поддержании ритмичности, в то же время обеспечивают и сохранение нормального периода, а также захватывание второго, контралатерального колебателя. Это было показано в последующих экспериментах с небольшими электролитическими повреждениями. Достаточность одного сложного глаза для захватывания колебателя контралатеральной зрительной доли и сохранность нормального свободнотекущего периода зависят вентральной части зрительной доли от целости клеток вблизи lobulа (та же самая область необходима для под держания ритмичности). Эти результаты сильно подкрепляют представление о том, что клетки этого участка зрительной доли выполняют роль пары двусторонних колебателей, образующих взаимно сопряженную систему.

Результаты недавнего исследования указывают на то, что у жука В1арs gigas ритмы электроретинограммы двух глаз контролируются независимыми осцилляторами. Было показано, что в постоянной темноте эти ритмы имеют разные свободнотекущие периоды. Кроме того, фазу и период ритма одного из двух глаз можно задавать локальным освещением этого глаза (СТ или СС), и это вовсе не влияет на ритм второго глаза. Отсюда следует, что ритм каждого глаза контролируется своим, собственным колебателем и что оба колебателя либо независимы, либо связаны очень слабо. Десинхронизация колебателей у Ар1уsiа и В1арs наводит мысль, что эти организмы должны полагаться на ежедневные внешние сигналы, чтобы поддерживать нужное соотношение фаз между колебателями. Между тем в опытах с тараканами не было получено никаких указаний на то, что колебатели в зрительных долях способны к спонтанной десинхронизации или что их можно десинхронизировать с помощью одностороннего освещения. В этом случае синхронность, видимо, поддерживается путем взаимного захватывания колебателей в двух зрительных долях.

Множественные колебатели

Результаты, рассмотренные в предыдущем разделе, убедительно показывают, что циркадианная система у беспозвоночных состоит из нескольких осцилляторов. Существование двусторонних парных осцилляторов бесспорно у Ар1уsia, у которой любой из двух глаз, будучи изолирован, может самостоятельно поддерживать циркадианный ритм. Данные, полученные на таракане, также указывают на двустороннюю парную колебательную систему: каждая из двух зрительных долей независимо от другой, способна поддерживать ритмичность.

Эти данные указывают также на то, что для циркадианных систем беспозвоночных характерны и подлинно множественные (в отличие от двусторонних отнюдь не «избыточные» - как функционально, так и анатомически) колебатели. Например, у Ар1уsia помимо глазных осцилляторов существует еще, по меньшей мере один осциллятор, расположенный в абдоминальном ганглии. У рака два отдельных осциллятора находятся в абдоминальном ганглии и глазных стебельках; еще один, имеется в надглоточном ганглии. Наконец, у, тараканов и сверчков есть циркадианный колебатель, находящийся вне зрительных долей. Ренс и Лоэр сообщили, что у сверчков с удаленными зрительными долями наблюдается ритм стрекотания при 24-часовых температурных циклах с амплитудой 10°С: оперированные животные, апериодичные в постоянных условиях, при колебаниях температуры стрекотали только в первые несколько часов после перехода от более высокой температуры к более низкой. Два интересных наблюдения позволяют предполагать, что эта периодичность отражает захватывание колебательной системы. Во-первых, после введения температурных циклов с чередованием 12 ч холода и 12 ч тепла или после отдельного 12-часового воздействия низкой температурой в ритме стрекотания отмечалось несколько переходных циклов. Во-вторых, насекомые с удаленными зрительными долями не обнаруживали ритмичности при воздействии температурных циклов с периодами, лежащими вне циркадианного окна захватывания (15 ч тепла: 15 ч холода). У тараканов с удаленными зрительными долями тоже возникал ритм при температурных циклах с амплитудой 6°С. Кроме того, фаза начала активности относительно момента перехода от тепла к холоду изменялась в зависимости от периода температурных циклов. Эти результаты, полученные на тараканах и сверчках с удаленными зрительными долями, трудно объяснить простой поведенческой реакцией на изменение температуры окружающей среды. Во всяком случае, они не противоречат гипотезе, что температурные циклы действуют на организм насекомого через посредство сильно затухающего осциллятора.

Таким образом, у всех беспозвоночных, у которых основательно изучали локализацию биологических часов (за исключением бабочек-сатурний), были обнаружены системы из нескольких «неизбыточных» циркадианных колебателен.

Хадсон и Ликки исследовали соотношение фаз свободнотекущих ритмов в двух глазах моллюска Ар1уsiа при постоянной темноте или очень слабом постоянном освещении. Разность фаз для пар глаз, извлеченных спустя 0 – 7 дней после помещения животного в постоянные условия, лежала в пределах от 0 до 1 ч, т. е. ритмы оставались синхронными. Однако после 8 дней разность фаз в большинстве случаев составляла уже 10 – 12 ч. Лишь немногие пары глаз оставались почти согласованными. Ни в одном случае не было отмечено разности фаз от 4 до 7,5 ч. Можно думать, что имеются два стабильных соотношения фаз между глазными осцилляторами: либо в фазе, либо в противофазе, а это в свою очередь означает, что оба колебателя взаимосвязаны. Между тем было показано, что ритм одного глаза может быть легко рассогласован по фазе с ритмом другого in vivo путем воздействия световыми циклами на один глаз; по-видимому, два колебателя сопряжены сравнительно слабо.

 

Мультигенный анализ

Нейман изучал у комара Сluniо, обитающего в приливной зоне, различия между природными популяциями по времени выведения имаго. Линии, выделенные в разных местах европейского побережья, различаются по этому признаку, так как они приспособлены к местным особенностям приливов и отливов. После скрещивания двух линий с разным временем выхода имаго первое поколение потомков выводилось в какое-то промежуточное время. Возвратное скрещивание первого поколения с одной из родительских линий тоже давало промежуточное время. Таким образом, время выхода взрослой формы у С1ипio контролируется продуктами одного или нескольких генных локусов. У гетерозигот это время выхода зависит от средней активности продуктов всех локусов, а не от простого сложения их эффектов, так как в последнем случае получился бы двувершинный ритм с пиками, соответствующими временам выхода имаго у двух родительских форм.

Ренсинг и др. исследовали межлинейные различия в суточном профиле потребления кислорода у D. melanogaster. В результате сравнения линий с разным соотношением числа Х-хромосом и аутосом был сделан вывод, что Х-хромосома существенно влияет на положение вечернего максимума потребления О₂ при режиме СТ 12: 12.

У дрозофилы и бабочки пектинофоры путем отбора можно получить линии с ранним и поздним временем выведения. Отбор в лабораторной популяции D. melanogasterдикого типа привел к большему размаху вариаций по этому признаку, чем отбор в природной линии мух; это свидетельствует о том, что длительное разведение в лаборатории ослабило давление отбора. В результате селекции D. pseudoobscuraна протяжении 50 поколений были получены две стабильные линии с ранним и поздним временем выведения имаго, различие между которыми составляло около 4 ч. Однако КСФ для обеих линий, как выяснилось, совпадают; значит, отбор, вероятно, затронул лишь внешние ведомые системы (которые сами по себе могут быть колебательными), но не ведущий осциллятор, способный непосредственно реагировать на свет.

В результате отбора ранней и поздней линий Реctinophora было получено 5-часовое различие фаз выведения. КСФ у этих двух линий не измерялись, но зато были сопоставлены различия по трем наблюдаемым ритмам. Оказалось, что на ритмы вылупления из яиц и выхода из куколки отбор повлиял одинаково: по их фазам при режиме СТ 14: 10 линии различались на 5 ч. Ритм откладки яиц, напротив, у обеих линий совпадал.

Таким образом, путем отбора удалось выявить различие двух колебателей, задающих ритмы вылупления и выхода из куколки, с одной стороны, и ритм яйцекладки – с другой.

 

Анализ отдельных генов

У двух видов дрозофилы были найдены мутации отдельных генов, влияющие на ритмы выхода из куколки и подвижности взрослых особей. В Х-хромосоме D. pseudoobscuraбыло локализовано 5 мутаций, вызывающих аритмию в условиях постоянного освещения. У мутантов при переменном освещении в той или иной степени проявлялись вынужденные, экзогенные ритмы выведения имаго. Эти пять мутаций можно было разделить на две комплементационные группы. Двойные гетерозиготы внутри каждой группы в постоянных условиях были аритмичны, в то время как у двойных гетерозигот с мутациями из разных групп наблюдались свободнотекущие ритмы с более длинным периодом, чем у дикого типа, а фазы их ритмов запаздывали примерно на 5 ч относительно фаз дикого типа, как при переменном освещении, так и в постоянных условиях после захватывания. Таким образом, комплементация между двумя группами «аритмичных» мутаций оказалась неполной. Это позволяет думать, что для нормального ритма необходимы по меньшей мере два различных генных продукта. Результаты указывают также на то, что и период, и фаза ритма находятся под генетическим контролем и что продукты генов, участвующие в поддержании ритмичности, в то же время влияют на фазу ритма. Из того факта, что у мутантов утрачены как ритм выведения, так и ритм подвижности, следует, что осцилляторы, контролирующие эти ритмы, имеют, по крайней мере один общий компонент, хотя у мух дикого типа свободнотекущий период второго ритма значи­тельно короче, чем первого.

У D. melanogasterв Х-хромосоме были найдены четыре мутации, влияющие на период ритмов выведения и двигательной активности имаго. Три из них – аллельные и локализованы в области ЗВ1-2. Четвертая находится в области 10; она удлиняет периоды обоих ритмов на 1,5 ч. Три мутации из области ЗВ1-2 относятся к локусу реr. Изменения этого локуса могут сокращать период ритма до 19 ч (реr^s), удлинять его до 29 ч (реr¹) или вовсе уничтожать ритмичность (реr°). Свободнотекущие периоды обоих ритмов у D. melanogasterтакие же, как у D. pseudoobscura.

Аллели реr¹ и реr° почти полностью рецессивны по отношению к гену дикого типа. У гетерозигот рег^s/ + и реr⁵/реr¹ периоды промежуточные между периодами соответствующих гомозигот. Аллель реr° ведет себя как отсутствие области ЗВ1-2, из чего можно заключить, что при этой мутации не образуется активного генного продукта.

Хотя мутации рег⁵ и реr¹ резко изменяют периоды ритмов выведения и подвижности имаго, оба периода все же остаются мало зависимыми от температуры в диапазоне от 18 до 25 °С. Однако температурная зависимость при этих двух мутациях противоположна: у мутантов реr¹ период с повышением температуры удлиняется, а у рег⁵ – укорачивается; иными словами, при низких температурах периоды обоих мутантов приближаются к периоду дикого типа. Таким образом, эти мутации влияют и на чувствительность колебателя к температуре.

Область Х-хромосомы, на которой картированы аллели реr, была подробно исследована Джаддом и др. В этой области число комплементационных групп леталей примерно равно числу видимых хромосомных дисков. Генетический анализ позволяет думать, что каждая такая группа соответствует определенному диску. Однако локус реr не является аллелем какой-либо из леталей этой области. Очевидно, это не жизненно важный локус, поскольку его мутации не приводят к гибели насекомого. Возможно, что локус реr – регуляторный, а не структурный ген.

Для аллеля реr⁵ была получена кривая смещения фазы. Примечательно, что эта мутация не только сокращает свободнотекущий период, но и увеличивает размах КСФ. Мутантная кривая относится к типу 0 по Уинфри, а нормальная – к типу 1. Таких мутантов, так же как и мух дикого типа D. pseudoobscura, можно привести в почти аритмичное состояние одним критическим импульсом света, если приложить его в определенной фазе эндогенного цикла. Однако колебатель реr отличается от колебателя D. pseudoobscuraтем, что его период короче, задержка его фазы протекает более медленно и между двумя критическими стимулами, вызывающими аритмию, нет темновой адаптации.

Ритм выведения имаго у мутанта реr° поддается захватыванию температурными циклами, но нечувствителен к циклам освещения. Однако явление двустабильности, наблюдаемое при температурном захватывании колебателя дикого типа (когда ритм может поддерживать любую из двух возможных фаз, отстоящих друг от друга на 3 ч), у этого мутанта отсутствует. Кроме того, вскоре после прекращения температурных циклов мутант реr° становится аритмичным. Таким образом, мутация реr° полностью уничтожает эндогенный характер колебателя.

Поскольку локус реr находится в Х-хромосоме, мутацию реr⁵ можно использовать в качестве маркера для картирования первичного эффекта гена, контролирующего часы, относительно кутикулярных структуру мозаичных мух, тела которых состоят из клеток разной половой принадлежности. Эффект этого гена выявляется вблизи головной кутикулы, что согласуется с локализацией часов в структурах мозга. Способность мозга контролировать ритм подвижности взрослых мух была установлена в опытах с трансплантацией мозга: пересадка его от донора реr⁵ в брюшко наследственно аритмичному реципиенту реr^о приводила к возникновению ритма подвижности с коротким периодом.

Таким образом, мозг выделяет какой-то гуморальный фактор, синтезируемый в нейросекреторных клетках и контролирующий период ритма подвижности. Интересно, что «аритмичные» мутации как у D. melanogaster, так и у D. pseudoobscuraповышают в мозгу процент аномально расположенных клеток, принадлежащих к задней группе нейросекреторных элементов. Эти клетки, возможно, участвуют в функции циркадианной системы мух, например в качестве источника гуморального фактора, контролирующего ритм подвижности. Исследование мозаичных мух, нейроны которых различаются гистохимическими метками, поможет выяснить роль групп нейросекреторных клеток в контроле циркадианной ритмичности.

Генетический локус, в некоторых отношениях сходный с локусом реr дрозофилы, был описан у гриба Neurospora. Мутации этого локуса тоже могут укорачивать или удлинять период. Гетерокарионы с ядрами того и другого типа проявляют период промежуточной длины подобно гетерозиготам реr⁵/реr¹ дрозофилы. Таким образом, у нейроспоры и дрозофилы имеются локусы, сходные по своим функциям; возможно, что циркадианные колебатели этих организмов близки по своему устройству на молекулярном уровне.

Итак, генетическое исследование циркадианных колебателей пролило новый свет на организацию циркадианной системы у некоторых организмов. Однако до сих пор не удалось установить ни одного конкретного механизма. Следующим шагом в использовании генетических методов для выяснения молекулярных механизмов циркадианных колебателей должна быть биохимическая идентификация продуктов тех генов, мутации которых затрагивают основные свойства колебателя.

 

 

Млекопитающие

В этом разделе подробно рассмотрены два вопроса, по которым о млекопитающих собрано довольно много данных: 1) влияние социальных и других факторов среды на ритмы активности и 2) роль циркадианной системы в процессах научения и запоминания.

Активность

Ритмы активности, регистрируемые в лабораторных условиях, до сих пор были основным источником сведений об эндогенных аспектах биологических ритмов, включая такие характерные видовые особенности, как длина свободнотекущего периода, ширина окна захватывания и кривая смещения фазы под действием световых импульсов. Контролируемые условия, необходимые для исследования эндогенных параметров ритмичности, не позволяют изучать влияние многих факторов среды, которые в природных условиях в значительной мере определяют профиль активности. К таким факторам относятся физические параметры среды – как предсказуемые из поколения в поколение (сезонные, лунные и приливные циклы), так и трудно предсказуемые (характер местности, погода) – и биологические факторы, например качество и доступность пищи, наличие других организмов, которые могут быть конкурентами, партнерами (половыми и др.), хищниками или жертвами.

Эти экзогенные факторы до сих пор не исследованы экспери­ментально в такой мере, как эндогенные свойства ритмичности. Во многих случаях информацию о роли экзогенных факторов удается почерпнуть лишь попутно, из работ на другие темы. Однако значение эндогенных свойств ритмичности для приспособленности (fitness) можно понять только в связи с окружающей средой: именно степень соответствия этих свойств или их адаптивных изменений природным условиям определяет биологическое значение ритмичности для отдельного животного. Поэтому важно выяснить, в какой мере факторы среды влияют на проявления ритмичности поведения у млекопитающих.