Созревание колебателя и наблюдаемых ритмов

Настоящая глава охватывает процесс созревания в ходе онтогенеза и генетику ведущего осциллятора и наблюдаемых (ведомых) ритмов у беспозвоночных. Обсуждение в основном ограничено многоклеточными организмами, кроме тех случаев, когда представляется важным сопоставление с низшими организмами. Термины «колебатель» и «осциллятор» обычно будут употребляться в единственном числе, хотя действительный физиологический колебатель может состоять из многих компонентов или по меньшей мере может быть представлен двумя симметричными центрами в разных полушариях мозга. В главе рассмотрены лишь подлинные циркадианные ритмы, т. е. те, которые сохраняются в постоянных условиях. Суточные ритмы, наблюдаемые только при чередовании света и темноты, а в постоянных условиях затухающие, не обсуждаются.

При исследовании онтогенетического развития циркадианных ритмов возникает важный вопрос: может ли какая-либо информация о ритмах передаваться потомкам через яйцо? Иными словами, существует ли какое-то кодированное сообщение о фазе или периоде колебаний, переходящее от поколения к поколению? Мутации, изменяющие свободнотекущий период, действительно встречаются. Из этого следует, что информация о длине периода может быть закодирована в ДНК и затем воспроизведена в следующем поколении. Каких-либо других данных по этому вопросу очень мало. Одно чрезвычайно интересное сообщение касается плодовой мушки, у которой фаза ритма куколочной линьки будто бы может передаваться потомству от матери. Правда, эти сведения до сих пор остаются неподтвержденными. Такая передача фазы могла бы означать, что, либо в яйце продолжаются колебания, фаза которых установлена матерью, либо информация о фазе сохраняется во время отсутствия колебаний в закодированной форме. Подобное кодирование фазы, возможно, происходит у пчел, поскольку было показано, что заученное время кормления (т.е. определенная точка циркадианного цикла) может быть передано необученной пчеле путем пересадки замороженной ткани мозга пчелы-донора.

Другой важный вопрос касается взаимоотношений между появлением наблюдаемого ритма и созреванием осциллятора, который его контролирует. Например, у дрозофилы момент выхода взрослой особи из куколки ограничен «воротами», контролируемыми циркадианным осциллятором. Ступенчатый переход от света к темноте на стадии личинки, а также импульсы света или изменения температуры на стадии куколки способны определить фазу ритма выведения. Информация о фазе в принципе могла бы запасаться в какой-то «свернутой» форме на стадии личинки и куколки, а проявляться лишь после созревания циркадианных колебателей; или же на этих стадиях могли бы происходить скрытые колебания, проявление которых в виде наблюдаемых ритмов отсрочено до взрослой стадии. На самом деле имеет место второй вариант, что было показано в изящных экспериментах с измерением кривой смещения фазы (КСФ) при воздействии вспышек света через регулярные промежутки времени на стадии куколки. В каждый из пяти дней существования куколки были получены сходные КСФ, откуда следует, что в это время действительно продолжались циркадианные колебания.

Циркадианные осцилляторы способны ограничивать «воротами» определенные этапы индивидуального развития. Например, у Drpsophila pseudoobscuraвремя окукливания, момент появления желтой окраски глаз и окрашивания глазковой щетинки не зависят от циркадианного осциллятора, хотя его колебания в это время происходят. Между тем момент выхода из куколки находится под циркадианным контролем. Так же обстоит дело у D. те1апоgaster. Это можно объяснить с помощью механизма сцепления: фактор, которому предстоит связать ведущий осциллятор с определенными событиями индивидуального развития, сам созревает лишь на стадии поздней куколки. Совершенно иная картина наблюдается у D. victoria. Здесь окукливание так же ритмично, как и выход из куколки, хотя все промежуточные события на стадии куколки, включая выворачивание головы, появление желтого пигмента глаз и окрашивание глазковых щетинок, аритмичны. Таким образом, у D. victoria действуют два независимых осциллятора или же один осциллятор, но с двумя разными механизмами сцепления.

У бабочки Ресtinophora эмбриональный период достаточно продолжителен (10 – 13 дней при 20 °С), чтобы можно было исследовать созревание осциллятора, контролирующего ритм вылупления из яйца. Минис и Питтендрих показали, что импульсные и ступенчатые воздействия светом и изменения температуры способны синхронизировать ритмы вылупления в популяции яиц, не ранее, чем на 6-й день эмбрионального развития. Таким образом, на этом этапе информация из внешней среды может быть усвоена, с тем, чтобы проявиться спустя несколько дней, после выхода гусениц из яиц. Вероятно, на 6-й день эмбрионального развития начинает действовать осциллятор, контролирующий вылупление.

У насекомых, претерпевающих полный метаморфоз, большой интерес представляют взаимоотношения осцилляторов, контролирующих циркадианные ритмы на разных стадиях развития. Этому вопросу есть данные о четырех организмах. У бабочек-сатурний часы, контролирующие ритм линьки, выдают гормональный сигнал, тогда как контроль ритма полетной активности осуществляется с помощью электрических сигналов, поскольку для сохранения ритма необходим интактный проводящий путь от мозга до грудных ганглиев. Таким образом, эти два ритма либо задаются разными осцилляторами, либо одним осциллятором, но с участием разных механизмов сцепления.

У бабочки Ресtinophora исследованы ритмы вылупления из яиц, линьки и яйцекладки. При изучении регуляции циркадианных ритмов необходимо различать наблюдаемые ритмы, с одной стороны, и контролирующие их колебатели – с другой. Один и тот же колебатель может быть сцеплен с различными ритмами по-разному (либо посредством вынужденных колебаний, либо через неколебательные механизмы), что приводит к многообразию наблюдаемых фаз и профилей ритмов. Ресtiпорhоrа при СТ 14: 10 обычно откладывает яйца в темноте, а выход гусениц и имаго происходит в светлое время суток, причем пик для второго из этих процессов на 3 ч позже, чем для первого. Таким образом, каждый ритм имеет свою особую фазу относительно циклов освещения. Эти ритмы в разной мере поддаются направленному отбору на более раннюю и более позднюю фазы. Последовательный искусственный отбор проводился в отношении ритма выхода имаго, и именно по этому признаку были получены наибольшие различия между «ранней» и «поздней» линиями.

Ритм вылупления из яиц тоже может заметно сдвинуться по фазе, в то время как фаза ритма яйцекладки остается у всех линий одинаковой. Результаты отбора можно интерпретировать либо как наследственное изменение свойств колебателя, либо как изменение «выходных» механизмов – может быть, механизма сцепления колебателя с подневольными наблюдаемыми ритмами. Поскольку КСФ у ранней и поздней мутантных линий не измерялись, ни одному из этих вариантов пока нельзя отдать предпочтение. Аналогичным образом, все три ритма с их разными фазами могут различаться не ведущими осцилляторами, а лишь связующими и «выходными» механизмами. Одно наблюдение, однако, можно истолковать в пользу различия самих осцилляторов: свободнотекущий период ритма выхода из яиц близок к 24 ч, тогда как периоды двух других ритмов составляют 22,5 ч. Правда, это различие периодов может быть обусловлено тем, что один и тот же осциллятор на постэмбриональных стадиях развития укорачивает свой период в результате созревания входных сенсорных путей или дополнительных клеток-часов.

У Drosophila melanogaster найдены мутации, затрагивающие периодичность выхода из куколок и подвижности взрослых особей. Эти мутации будут подробно рассмотрены позже, а здесь важно отметить, что все они действуют на оба ритма сходным образом. Еще одна мутация, недавно выявленная в отдельном локусе, удлиняет периоды обоих ритмов на 1,5 ч. Кроме того, оба ритма могут захватываться на стадиях личинки и куколки, и КСФ колебателя дикого типа для обоих ритмов близки по форме и амплитуде. Эти результаты, как и данные о Ресtinophora, позволяют предположить, что оба ритма контролируются сходными, если не тождественными осцилляторами.