Восприятие захватывающих сигналов

Хотя на различных позвоночных было показало, что циркадианные ритмы могут захватываться социальными сигналами, температурой и магнитными полями (или по крайней мере подвергаться их влиянию), все же главным внешним времязадателем служит свет. К тому же это единственный фактор, физиология рецепции которого достаточно изучена. Пути, по которым информация о световых циклах среды достигает циркадианных осцилляторов и захватывает их, у позвоночных многочисленны, сложны и отличны от путей, по которым передается зрительная информация. Это относится и к циркадианным фоторецепторам беспозвоночных.

В головном мозгу позвоночных имеются фоторецепторы, которые прямо опосредуют поведенческие, физиологические и биохимические реакции на свет. На некоторых видах амфибий, рептилий и птиц было показано, что фоторецепторы мозга функционально сопряжены с каким-то механизмом, порождающим циркадианную ритмичность. У взрослых млекопитающих фоторецепцию в мозгу ни разу не удалось убедительно продемонстрировать, несмотря на многократные попытки. Кажется вероятным, что фоторецепторный вход к циркадианным, а также другим «незрительным» процессам у млекопитающих существенно иной, чем у других позвоночных. Интересно, что новорожденные крысята сохраняют мозговую фоторецепцию в течение первых 2 – 3 недель жизни.

Среди птиц мозговой фоторецепторный вход к циркадианной системе лучше всего изучен у домового воробья. У этого вида одних фоторецепторов мозга достаточно для захватывания ритмов подвижности очень слабыми световыми циклами и для того, чтобы освещенность могла влиять на период свободнотекущего ритма подвижности при постоянном свете. Эти рецепторы участвуют также в стимуляции интенсивной аритмичной активности при постоянном сильном освещении, хотя их одних для этого недостаточно. Фоторецепторы сетчатки тоже участвуют в контроле этих трех циркадианных параметров. Хотя эпифиз некоторых птиц явно чувствителен к свету (см. ниже), тем не менее, ослепленные воробьи с удаленным эпифизом все еще поддаются захватыванию световыми циклами. Фотопериодическое измерение времени – циркадианный процесс, влияющий на ось гипоталамус – гонады происходит у интактных воробьев без участия сетчатки. Для фотопериодической реакции требуется значительно большая интенсивность света, чем для захватывания. Этот факт, а также измерения проникающей способности света и данные о локализации фоторецепторов у белоголовых воробьиных овсянок позволяют предполагать, что фоторецепторы, обеспечивающие фотопериодическую реакцию, находятся в гипоталамусе и отличаются от тех, которые участвуют в контроле ритмов подвижности. Таким образом, у воробьиных имеются фоторецепторные входы к циркадианной системе от глаз, эпифиза, гипоталамических структур и других, пока еще не выявленных участков мозга. Столь высокая сложность на уровне рецепторов неожиданна и остается загадкой, однако она обнаружена и у других птиц, а также у ящериц.

Фоторецепторы мозга могут влиять на захватывание циркадианных ритмов подвижности у различных ящериц. Удаление эпифиза и теменного глаза – этих хорошо изученных фоторецепторов – не мешает захватыванию ритмов у ослепленных животных. Хотя ослепленные ящерицы всех изученных видов поддавались захватыванию световыми циклами, свободнотекущий период ритма подвижности у ослепленных (но не у зрячих) оказался нечувствительным к изменениям уровня постоянного освещения. Ослепленные ящерицыпри постоянном освещении вели себя так, как будто интенсивность света возросла: либо их свободнотекущий период сокращался, либо они становились аритмичными. Множественность фоторецепторных входов циркадианной системы характерна для некоторых птиц и пресмыкающихся, и нет оснований сомневаться в том, что это – общее правило для обоих классов позвоночных. Хотя прямые свидетельства о, такого рода, входах циркадианной системы у рыб и земноводных довольно малочисленны, все же широкая распространенность у них внеглазных фоторецепторов указывает на то, что эти рецепторы могут иметь такое же отношение к циркадианной системе, как у птиц и пресмыкающихся.

У млекопитающих в отличие от «низших» позвоночных единственный путь воздействия света на циркадианную систему проходит через сетчатку. С другой стороны ретинальные пути, передающие информацию к циркадианной системе, в основном отличны от зрительных. Крысы и хомячки с повреждениями главных зрительных трактов и верхних добавочных зрительных трактов поддаются захватыванию световыми циклами. Повреждение нижних добавочных зрительных трактов тоже не влияет на захватывание, хотя эти эксперименты не безупречны. У грызунов захватывание сильно нарушается или даже становится невозможным после перерезки ретино-гипоталамического тракта – прямого пути от сетчатки к супрахиазменным ядрам гипоталамуса. Несмотря на ограниченность данных, в настоящее время можно заключить, что у млекопитающих есть много путей воздействия света на циркадианную систему; в основном они проходят через ретиногипоталамический тракт, не участвующий в зрительной функции, но имеются также дополнительные пути через главные и добавочные зрительные тракты.

Для того чтобы объяснить свойства циркадианных систем позвоночных, следует предположить, что световые циклы окружающей среды и другие сигналы захватывают какие-то биологические элементы, которые сами могут поддерживать автономные колебания с циркадианными периодами. Такие элементы в принципе могли бы существовать на любом уровне организации. Мы будем называть такие структуры «первичными циркадианными колебателями», несмотря на трудности, связанные с таким определением. При этом мы предполагаем следующее. Если можно показать, что некоторая структура или, допустим даже, цепь химических реакций обнаруживает колебания с циркадианным периодом, не получая каких-либо ритмических сигналов из внешней среды или от других частей организма, то она играет роль колебателя в общей циркадианной системе. Далее, мы предполагаем, что такие структуры или реакции относительно редки в многоклеточных организмах; скорее всего, они находятся у вершины циркадианной иерархии. Эти предположения недостаточно обоснованы, и любое из них либо оба вполне могут оказаться неверными. Однако такое жесткое определение «первичного колебателя» создает основу для обсуждения имеющихся данных и в особенности подчеркивает трудность признания роли в циркадианной организации тех структур, которые не способны поддерживать автономные колебания.

Если строго придерживаться этого определения, то у многоклеточных животных единственной структурой, имеющей свойства первичного колебателя, окажется глаз моллюска Ар1уsiа. В этой структуре продолжаются выраженные колебания при постоянных условиях in vitro, так что она вполне удовлетворяет определению. Правда, пока не ясно, для каких других структур или процессов она служит колебателем и какова ее роль в общей циркадианной организации животного. У позвоночных есть два сильных претендента на роль колебателя: эпифиз у птиц и супрахиазменные ядра в передней части гипоталамуса млекопитающих. Значение обеих этих структур нам более понятно, чем значение глаза аплизии, но ни в одной из них не было еще достоверно установлено наличие автономных колебаний.

Эпифиз птиц

Большое число косвенных данных подтверждает гипотезу, что эпифиз у домового воробья является первичным колебателем циркадианной системы. Удаление эпифиза приводит к исчезновению ритма подвижности у Раsser domesticus при постоянных условиях, однако деиннервация эпифиза in situ не влияет на ритм. У птиц с удаленным эпифизом ритмичность может быть восстановлена путем пересадки этого органа от донора в переднюю камеру глаза, после чего новый ритм сохраняет фазу ритма донора. У воробьев наблюдается циркадианный ритм концентрации мелатонина в плазме, частично обусловленный его синтезом в эпифизе. Введение малых доз мелатонина изменяет свободнотекущий период ритма подвижности в постоянной темноте. Эти факты проще всего объяснить тем, что эпифиз представляет собой автономный осциллятор, ритмично выделяющий мелатонин, и ритм концентрации последнего в крови (или, может быть, в цереброспинальной жидкости) синхронизирует «нижележащую» часть циркадианной системы. Мы знаем, что в циркадианной системе воробья есть помимо эпифиза и другие компоненты, поскольку птицы с удаленным эпифизом хотя и не обнаруживают свободнотекущих ритмов, все же поддаются захватыванию световыми циклами. Но действительно ли эти компоненты являются «нижележащими» по отношению к эпифизу, не ясно. Повреждение супрахиазменных ядер у воробьев тоже приводит к исчезновению свободнотекущих ритмов. Если бы не данные, указывающие на центральную роль этих ядер в циркадианной системе млекопитающих (см. ниже), последствия их повреждения у воробьев можно было бы объяснить просто как результат выключения нижележащего звена органа-мишени для эпифизарного мелатонина.

Способность изолированного эпифиза воробья к автономным колебаниям до сих пор прямо не продемонстрирована. Не было даже серьезных попыток сделать это, так как по практическим; соображениям биохимические исследования и эксперименты in vitro проводились главным образом на курином эпифизе. К сожалению, в этом случае возможны существенные межвидовые различия, так как у кур и родственных им японских перепелов после эпифизэктомии сохраняется ритм подвижности. Хотя еще не ясно, играет ли эпифиз у кур какую-либо роль в циркадианной организации, в нем обнаружен высокоамплитудный циркадианный ритм активности фермента ацетилсеротонин-метилтрансферазы (АСМТ), участвующего в синтезе мелатонина. Этот ритм сохраняется и в культуре куриного эпифиза in vitro в условиях световых циклов и, по меньшей мере, на протяжении двух циклов в постоянной темноте; недавно было показано, что при световых циклах он продолжается до 17 суток. Секрецию мелатонина отдельными эпифизами измеряли в проточной системе для культуры тканей; при световых циклах она была явно ритмичной не менее 5 суток. В постоянной темноте ритм сохранялся, но быстро затухал. Очевидно, что куриный эпифиз способен поддерживать ритмичность in vitro, по крайней мере, при световых циклах, но нельзя утверждать, что он является автономным циркадианным осциллятором, поскольку его ритмичность в постоянных условиях может быстро затухать.

По-видимому, у птиц (и также у низших позвоночных) циркадианная организация вращается вокруг эпифиза. Наблюдавшиеся межвидовые различия в результатах его удаления могли быть следствием неучтенных различий в методике экспериментов или же подлинными различиями в относительной роли эпифиза, супрахиазменных ядер и сетчатки. Следует отметить, что и сетчатка, и эпифиз являются световоспринимающими органами, и что гипоталамус у птиц тоже может содержать фоторецепторы.