Живые часы

болезней, которые возникают у человека в стрессовых ситуациях».

Овация, которую устроили Дженит Харкер участники симпозиума в Колд-Спринг-Харборе, была не единственной реакцией ученых на ее работу. Вполне естественно, что многие биологи в самых разных странах мира попытались воспроизвести ее результаты. Но это удалось далеко не всем, поэтому среди них нашлись и такие, которые поставили под сомнение достоверность ее данных. Харкер ответила тем, что, повторив свои эксперименты, воспроизвела прежние результаты.

Вот как оценивает исследования Дженит Харкер биолог Е. Мак-Робби, хорошо знакомая с ее многолетней работой:

Методы, которыми пользовались некоторые ученые, пытавшиеся воспроизвести ее работу, были слишком грубыми. Эти операции чрезвычайно тонки, они требуют хороших рук и большой практики. Бесполезно после нескольких пробных операций решать, что ничего не получится, — для отработки техники выполнения таких операций нужна постоянная тренировка на большом числе животных. Только после того, как техника освоена, операции идут успешно и животные выживают. Мне, например, известно, что в одной из попыток воспроизвести эту операцию просто игнорировали то обстоятельство, что очень близко к ганглию подходит — слюнной проток. При извлечении подглоточного ганглия проток перерезали, и из него высвобождались сильно действующие ферменты, которые разрушали клетки ганглия. Поэтому нет ничего удивительного в том, что эти попытки привели к отрицательным результатам.

Ну а что касается статистической достоверности, то по самой своей природе эксперимент с пересадкой органов отвечает либо «да», либо «нет». Уже сам положительный исход является однозначным ответом.

Наверняка пройдет еще немало времени, прежде чем биологи полностью примут и эту часть исследований Харкер. Однако, если мы правильно представляем себе общий ход развития науки, ее работа получит высокую оценку.

14. Одноклеточные часы

В конце пятидесятых годов в Скриппсовском институте океанографии профессор Беатрис Суини определила уровень обмена веществ единичного растения. Объем выделяемого им газа составлял всего миллионные доли миллилитра!

Какую цель ставила перед собой Суини, стремясь измерить объем кислорода, выделяемый одноклеточным растительным организмом? Обычно суточные ритмы измеряют для множества клеток одновременно: либо на многоклеточных растениях или животных, либо в популяциях одноклеточных организмов. Суини же хотела выяснить, совпадает ли ритм единичного одноклеточного организма с ритмом целой популяции, состоящей из очень большого числа таких организмов. Это могло бы стать первым этапом обширной программы исследований, нацеленной на более глубокое проникновение в тайну внутреннего механизма живых часов.

Выбор Суини определялся несколькими исходными условиями. Во-первых, как ботаник, она, естественно, стремилась работать с растительным организмом. Во-вторых, ее интересовала физиология биологических часов, и поэтому ей нужно было такое растение, физиологическая активность которого была бы четко связана со временем. Иначе говоря, Суини хотела ясно видеть «стрелки» живых часов. Кроме того, ей нужен был организм, физиологические реакции которого были бы обусловлены достаточно хорошо изученными биохимическими процессами. И конечно, организм этот должен был быть удобным для работы, то есть доступным и легко культивируемым в лабораторных условиях.

Рис. 44. Одноклеточная водоросль Gonyaulax polyedra, увеличенная приблизительно в 1000 раз.

Изучить ритмичность одиночной клетки — вот самый прямой путь для решения поставленной ею задачи. Подходящим объектом для этой цели оказалась одноклеточная морская водоросль Gonyaulax polyedra, относящаяся к классу динофлагеллят. Свечение тропических морей в первую очередь обусловлено водорослями Gonyaulax. Они имеют в диаметре около 0,05 миллиметра, то есть едва различимы невооруженным глазом.

Это одноклеточное растение оказалось очень интересным для исследования ритмичности поведения, поскольку оно обнаруживает несколько проявлений ритмической активности: ритм люминесценции, ритм клеточного деления и суточный ритм фотосинтеза. Таким образом, требование, предъявляемое Суини к объекту исследований, оказалось выполненным: у живых часов Gonyaulax ясно видимых «стрелок» было предостаточно.

Налицо была и зависимость работы часов от хорошо изученных биохимических реакций. Люминесценция таких организмов, как Gonyaulax, обусловлена ферментативными реакциями, поскольку испускающая свет система состоит из самого фермента (люцифсразы) и субстрата, или вещества, с которым реагирует фермент (люцифе-рина). (Несмотря на очень большой объем литературы по биолюминесценции, истинная природа люциферина и люциферазы в клетках Gonyaulax еще не выявлена.)

Итак, для исследования ритмичности Суини выбрала Gonyaulax.

Рис. 45. Рисунок, выполненный по электронно-микроскопической фотографии среза клетки Gonyaulax.

Давно известно, что в условиях непрерывного освещения ярким светом многие биологические ритмы постепенно исчезают. Бюннинг показал это на примере суточного движения листьев еще в 1931 году. Листья растения фасоли, привыкшего к нормальному чередованию дня и ночи, просто переставали двигаться, когда его переводили в условия непрерывного яркого освещения. Тщательные лабораторные наблюдения над многими ритмами других организмов дали те же результаты. То же самое показала и культура Gonyaulax: если суспензию клеток долго освещать ярким светом, все ритмы исчезают, хотя растения продолжают размножаться.

Чем же определяется такое поведение? Значит ли это, что каждая из клеток в популяции теряет свой ритм, или нарушается синхронность между клетками, все еще сохраняющими ритмичность функционирования? Быть может, индивидуальные ритмы расходятся по фазе настолько сильно, что начинают гасить друг друга?

Рис. 46. Игрушка «ныряльщик».

Чтобы ответить на этот вопрос, нужно было выяснить, сохраняет ли ритм отдельная клетка в условиях непрерывного яркого освещения. Но какой ритм вообще сохраняется в подобных условиях? Люминесценцию яркий свет подавляет. Нарушается и ритм клеточного деления: клетки, выращенные на ярком свету, делятся не через строго определенные интервалы времени. Единственная возможность обнаружить на ярком свету ритм у одиночной клетки — это изучить ее фотосинтез. Более ранними экспериментами было показано, что суспензия клеток Gonyaulax в условиях чередования света и темноты обнаруживает четкий суточный ритм фотосинтеза. За его изменением можно следить, измеряя объем кислорода, выделяемого культурой в течение дня. Сделать это непросто, поскольку количество кислорода, выделяемое даже тысячами клеток Gonyaulax, чрезвычайно мало. Измерить его можно только с помощью очень точных приборов. Микрореспирометр соответствующей чувствительности был разработан