Куда летит время. Увлекательное исследование о природе времени
Шрифт:
Существование суточного цикла чередования фотосинтеза и азотфиксации у цианобактерий навело ученых на мысль о некотором аналоге биологических часов у микроорганизмов. Джонсон с коллегами разобрались в устройстве часового механизма, основываясь главным образом на изучении цианобактерий вида Synechococcus elongatus, широко используемого в лабораторных экспериментах. Аналогичный принцип действия внутренних часов встречается у многих видов цианобактерий, а некоторые его аспекты присущи микроорганизмам других родов, но у более высокоорганизованных организмов нет ничего похожего. В ядре клетки у Synechococcus elongatus присутствуют три вида белков – KaiA, KaiB и KaiC, чьи названия происходят от японского иероглифа kaiten, которым обозначают циклическое круговращение небес. Ведущая роль принадлежит белку KaiC, молекула которого частично напоминает два пончика, сложенных один на другой. Эпизодически взаимодействуя с двумя другими белками, KaiC довольно ловко справляется с
«Это похоже на работу шестерен в часовом механизме», – объясняла мне Голден. Процесс настройки передач примечателен множеством любопытных аспектов, но больше всего поражает то, что он функционирует автономно. Биологические часы высокоорганизованных форм жизни приводит в действие циклический характер экспрессии ДНК: основные гены ядра, кодирующие качественные признаки, запускают процесс сборки белков. Поступая в ядро из цитоплазмы, последние отключают экспрессию первых. Клетки цианобактерий лишены ядер, их внутренние часы представляют собой неопосредованные взаимодействия между белками. Эти белки синтезируются специфическими генами, и при их выщеплении внутренние часы выходят из строя в силу нехватки нужных деталей. Продолжительность тактов белковых часов, однако, не привязана к скорости экспрессии генов и практически не связана с ДНК клетки. При изъятии ключевых белков из клетки и помещении в пробирку они даже в условиях полной изоляции продолжают взаимодействовать двадцать четыре часа в сутки изо дня в день, как ни в чем не бывало.
«В устройстве эндогенных часов растений, животных и грибов намного больше неопределенности, – отметила Голден. – В сущности, это суммарный эффект некоторых событий, в которых фигурирует множество различных сил. Внутренние часы цианобактерий необычны тем, что они вещественны: мы имеем дело с реальным устройством, которое можно поместить в пробирку, и оно будет продолжать работать».
Предполагается, что некоторые органеллы клеток, в особенности митохондрии, вырабатывающие энергию для метаболических реакций, а также, к примеру, хлоропласты, в которых осуществляется фотосинтез, происходят от автономных прокариотических микроорганизмов, поглощенных другими клетками, которые не были утилизированы в ходе метаболизма, а стали, по сути, внутренними симбионтами клетки-хозяина. Я поинтересовался, не могло ли что-то похожее произойти и с белковыми часами: существовал ли когда-нибудь подобный механизм в природе независимо, до интеграции с клетками цианобактерий, на положении позаимствованных часов или, возможно, он существует до сих пор, на что последовал отрицательный ответ. По словам Голден, ученым удалось вызвать репликацию белковых часов внутри живой клетки исключительно за счет высокоточных лабораторных техник. Тем не менее само их существование говорит о большой надежности и простоте устройства. Получив в распоряжение подходящий контейнер и всего лишь горсть деталей, естественный отбор довольно быстро изобретет точные часы, которые будут в готовом виде передаваться из поколения в поколение.
Действительно, при делении клеток цианобактерий белковые часы распадаются на две части и все равно продолжают тикать, не сбиваясь с такта. Из двух бактерий получаются четыре, потом восемь, затем шестнадцать бактерий и в конце концов – миллионы идентичных клеток, содержащих одинаковые модели часов, большей частью синхронизированных в едином ритме времени. Часы состоят из множества белков, упакованных в мешок клеточной мембраны, внутри которого происходят все взаимодействия между белковыми молекулами. Когда мешок делится пополам, белки также делятся поровну, но сам часовой механизм при этом остается незатронутым и продолжает воспроизводить прежний ритм даже в новой упаковке. Поскольку принцип действия белковых часов не связан с ДНК организма, срок их службы превышает продолжительность жизни отдельной клетки. Глядя на мутную пленку, заволокшую пруд возле моего офиса, невозможно догадаться, что перед вами простирается единый циферблат белковых часов миллиардов клеток цианобактерий.
Некоторые подобия внутренних часов обнаруживаются примерно у дюжины других видов цианобактерий. «Могут существовать и другие организмы с другими видами внутренних часов, – рассуждает Голден. – Неизвестно, сколько разновидностей внутренних часов может быть в мире». Столкнувшись с колоссальным разнообразием внутренних часов у животных, растений, грибов и бактерий, биологи задумались, насколько глубоко эти часы могут быть связаны между собой. На этот счет известны две точки зрения. Одна из них, которую можно условно назвать школой множественности внутренних часов, предполагает, что двадцатичетырехчасовой цикл колебаний интенсивности освещения сам по себе оказывает решающее влияние на ход естественного отбора, и поэтому наличие биологических часов можно рассматривать как эволюционное приспособление, принимающее разнообразные формы. «У разных организмов на кухне разный набор ингредиентов, из которых можно приготовить часы», – говорила мне Голден. Если часы идут ровно, значит, механизм работает.
ЦИКЛ ВНУТРЕННИХ ЧАСОВ И ПРОДОЛЖИТЕЛЬНОСТЬ СВЕТОВОГО ДНЯ КРЕПКО СПАЯНЫ
Школа единства внутренних часов придерживается иного подхода: ее представители переворачивают аргументацию оппонентов с ног на голову, указывая на то, что цикличность освещения стала движущей силой естественного отбора лишь в силу независимой эволюции эндогенных часов, которые на тот момент уже должны были достичь высокой ступени развития. Найти аргументацию в пользу такой точки зрения сложно из-за значительной дифференциации биологических часов у разных категорий живых существ. Различия в устройстве внутреннего часового механизма у людей и растений, у растений и грибов, грибов и цианобактерий и т. д. слишком велики, чтобы запросто примириться с ними. Тем не менее Карл Джонсон признает, что различия имеют право на существование. По его мнению, механизмы транскрипции генов и трансляции белков, лежащие в основе молекулярного диалога, составляющего сущность биологических часов многоклеточных организмов, в чем-то напоминают белковые часы цианобактерий, идущие в обратном направлении, от опосредованной коммуникации к прямой. «Я долгое время продвигал идею о том, что механизм транскрипции-трансляции не может быть стержневой моделью внутренних часов, – говорил ученый. – Возможно, пример цианобактерий подводит нас к новому пониманию эндогенного часового механизма».
Если долго всматриваться в мутные воды занесенного тиной пруда, в котором тикают миллиарды белковых часов цианобактерий, со дна начинают подниматься пузырьки вопросов: например, сколько эволюционных скачков потребовалось биологическим часам, чтобы достичь своего нынешнего состояния, – один или несколько? Что вообще побудило их к эволюции?
Пока никаких вариантов ответов наука дать не может: естественный отбор хорошо заметает следы. Также можно с большой долей уверенности сказать, что к появлению эндогенных часов в значительной мере причастен солнечный свет. Цикл внутренних часов и продолжительность светового дня удивительно крепко спаяны между собой, причем это наблюдается на систематической основе повсеместно во всех царствах живых организмов, так что едва ли речь идет о простом совпадении.
Представьте себя на месте микроорганизма и постарайтесь найти применение вашему внутреннему часовому механизму с двадцатичетырехчасовым циклом. Эндогенные часы, безусловно, подстрахуют вас в тех случаях, когда солнечный свет вам недоступен, но в то же время они служат сигнальным устройством наподобие будильника, точно оповещая вас о том, когда завтра произойдет рассвет, чтобы вы успели к нему подготовиться. Фотосинтезирующие микроорганизмы благодаря внутренним часам успевают привести в рабочее состояние свои аккумуляторы. Возможно, другие узлы фотосинтезирующего аппарата получают при этом дополнительный активирующий импульс. В результате микроорганизм приобретает преимущество в воспроизводстве и передает свои внутренние часы следующим поколениям микробных клеток. В экваториальных широтах, где продолжительность дня и ночи примерно одинакова, а закаты и рассветы происходят примерно в одно и то же время, биологические часы, возможно, и не дают ощутимых привилегий. Но по мере продвижения на север или на юг в направлении полюсов соотношение светлых и темных периодов в сутках изменяется изо дня в день в течение года, и в таких случаях внутренние часы помогают предугадывать эти колебания. Возможно, наличие биологических часов способствовало расширению ареалов древних форм жизни подобно тому, как введение понятия долготы в XVII веке и изобретение механических часов помогло Великобритании опередить соперников в исследовании морей и колонизации далеких земель.
Вместе с тем солнечный свет в качестве движущей силы отбора отрезает оба пути: по возможности его лучше избегать и утилизировать. Ультрафиолетовое излучение может вызвать тяжелые повреждения ДНК; геном наиболее уязвим во время деления клетки, когда ДНК распаковывается перед дупликацией. Около четырех миллиардов лет назад воздействие ультрафиолетового излучения было особенно пагубным, поскольку поверхность Земли еще не была защищена слоем озона (O3), который предохраняет все живое от самых вредоносных лучей в наше время. Цианобактерии, которым приписывается главная заслуга в насыщении атмосферы кислородом и создании озонового слоя, на что ушло не менее миллиарда лет, тогда оказались в самом невыигрышном положении. Не имея жгутиков, они были лишены способности к активным передвижениям и не могли укрыться от палящего солнца в сумерках толщи воды. Как же они размножались, не выставляя под жесткие ультрафиолетовые лучи самые деликатные органы?
Возможно, цианобактерий выручали биологические часы: сверяясь с ними, микроорганизм выбирал для деления клетки самое безопасное время суток. На основании данного предположения биологи выдвинули гипотезу избегания света, объясняющую, как цианобактериям удавалось размножаться в неблагоприятных условиях. Хотя со стороны может показаться, что клетки цианобактерии в присутствии света делятся безостановочно, так как для клеточных делений требуется солнечная энергия, но у них могут действовать временные ограничения размножения. В ходе полевых исследований трех микробиоценозов, два из которых составляли водоросли, а третий был представлен цианобактериями одного вида, было установлено, что фотосинтетическая активность во всех трех микробиоценозах продолжалась весь день, однако между тремя часами дня и шестью часами вечера прекращался синтез ДНК. Затем фотосинтез возобновлялся и не прерывался до самого заката. Таким образом, клеточные структуры, наиболее восприимчивые к ультрафиолету, в середине дня почивают в тени.