Мозг, разум и поведение

Хофстедтер Лора

Интерес к биоритмам не ограничивается только стремлением узнать, как функционируют живые существа. Сведения о «приливах» и «отливах» тех иных продуктов, синтезируемых организмом, мог подсказать, например, какое время дня наибе благоприятно для приема определенных лекарств. Эксперименты на мышах показали, что чувствительность этих животных к токсичным веществам резко меняется на протяжении суток. Мыши активны ночью, и в это время они могут без последствий переносить такую дозу препарата, которая днем окажется смертельной или вызовет сильную реакцию. Как показали результаты одного исследования, из мышей, получавших бактериальный токсин в ранние вечерние часы, погибло 80%, а из животных, получавших такую же дозу среди ночи, — лишь 20% (Halberg, 1960). Далее, диагностика многих заболеваний связана с измерением концентрации некоторых веществ в крови или

моче. Зная суточные колебания этих показателей, мы сможем поставить более точный диагноз.

Большинство исследований по биологическим ритмам проводилось на растениях, птицах, других животных (эксперименты на человеке допустимый лишь в том случае, если они не причиняют вреда, так что возможности здесь весьма ограниченны). Исследователи пытаются выяснить: 1) какова функциональная организация ритма; 2) где находятся структуры, задающие ритм («пейсмейкеры»), и каков физиологический механизм их действия; 3) какие клеточные и биохимические механизмы обусловливают генерацию ритма в самих пейсмейкерах.

Изучение ритмов у живых организмов (кроме человека)

Более 250 лет назад французский астроном Жан-Жак д'Орту де Меран, заметив, что цветок гелиотропа раскрывается днем и закрывается ночью, решил проверить, обусловлено ли движение лепестков реакцией на свет и темноту. Он спрятал растение в темную комнату и начал наблюдать за ним. Оказалось, что цветок не только продолжал раскрываться и закрываться в отсутствие света, но его цикл в точности соответствовал смене дня и ночи. Астроном пришел к выводу, что ритмы растения контролируются каким-то внутренним механизмом.

Цветы с такой пунктуальностью ежедневно раскрывают и закрывают свои лепестки, что великий биолог Карл Линней спроектировал цветочные часы, состоящие из различных видов цветущих растений, которые распускались поочередно от 6 часов утра до 6 часов вечера.

Рис. 74. Цветок очного цвета (Anagallis), подобно многим другим цветкам, проявляет фототропизм: он раскрывается на свету и закрывается в темноте.

Рис. 75. Цветочные часы, предложенные Линнеем в 1751 г. Цветы разных видов располагаются по часовой стрелке в соответствии с тем, в какое время суток они раскрываются и закрываются — в интервале от 6 часов утра до 6 часов вечера.

Простые организмы

Водоросли, с такой поразительной регулярностью осуществляющие свои циклы на песчаных пляжах залива Кейп-Код, состоят всего лишь из одной клетки. Следовательно, механизм, ответственный за циркадианные ритмы их активности, должен находиться внутри клетки. Однако и по сей день все попытки идентифицировать (в анатомических или функциональных понятиях) пейсмейкер или хотя бы какую-то его часть не увенчались успехом. Водоросль подвергали воздействию высоких температур или потенциально разрушительных химикалий, но она упорно продолжала делать свое дело.

У другого одноклеточного организма — Gonyaulax — наблюдаются четыре различных циркадианных ритма, затрагивающих соответственно четыре функции: фотосинтез, люминесценцию, раздражимость, клеточное деление. Определяются ли эти ритмы одним и тем же пейсмейкером или четырьмя различными? Ответ на этот вопрос пока не получен. Даже после удаления клеточного ядра микрохирургическим способом ритмы сохраняются.

Рис. 76. Аплизия (Aplysia californica). Нейроны наружного края глаза действуют у нее как пейсмейкеры, сообразуя циклы питания и покоя этого морского моллюска с циклами света и темноты и приливами.

Один из хорошо изученных многоклеточных организмов — Aplysia califopnica, слизнеподобное существо, жизнь которого тесно связана с тихоокеанскими приливами (см. рис. 76). Аплизия — очень удобный

объект для исследований, так как связи и функции ее крупных нейронов довольно легко поддаются выявлению. Феликс Штрумвассер обнаружил у некоторых нейронов наружного края глаза определенный ритм частоты импульсного разряда — она возрастает на свету и уменьшается в темноте. Если эти нейроны выделить, поместить в ванночку с морской водой и выдерживать в абсолютной темноте, то их импульсация останется такой же, как если бы они находились внутри живого организма. Очевидно, ритм этих нейронов, помогающий организму согласовывать суточные циклы питания и покоя со сменой дня и ночи, приливами и отливами, регулировался процессами, происходящими внутри самих нейронов. Но каковы эти процессы, пока еще, как и в случае с одноклеточной водорослью, не установлено, хотя ученые полагают, что существует какая-то связь между скоростью белкового синтеза в клетке и ее ритмом.

Птицы и млекопитающие

Каждую осень пеночки-веснички мигрируют из Центральной и Северной Европы, где они выводили потомство, в теплые края Центральной и Южной Африки. Подобного рода миграции свойственны многим видам птиц. Золотистая ржанка летит размножаться в Юкон из такой далекой южной страны, как Аргентина, покрывая расстояние около 7000 миль; полярная крачка гнездится в северной Европе, Азии или Северной Америке и мигрирует в Антарктику. Что служит пусковым механизмом миграции? Что ощущают птицы: то, что дни становятся короче, или то, что температура постепенно снижается?

Рис. 77. Ночная активность экспериментальных групп пеночек-весничек, содержавшихся в лабораторных условиях при постоянной температуре в ФРГ (а) и Африке (в) ив естественных условиях в ФРГ (б) и Африке (г). Закрашенные столбики — периоды смены оперения. (Gwinner, 1968.)

Для того чтобы выяснить это, ученые вынули весной только что оперившихся птенцов пеночки из европейских гнезд и разделили их на четыре группы. Одна группа осталась в естественных условиях. Вторую поместили в лаборатории, расположенной неподалеку от мест обитания птиц, но в условиях постоянной температуры (11,6°С) и чередующихся 12-часовых периодов света и темноты. Две оставшиеся группы были самолетом перевезены в Африку, в места их зимовки, причем одну из них содержали здесь в тех же лабораторных условиях, что и вторую европейскую группу, а другую оставили жить в природных условиях. Оказалось, что у всех четырех групп сохранился один и тот же годичный цикл поведения. Где бы они ни находились, весной и осенью у них проявлялись признаки миграционного беспокойства (ночная активность, не характерная для других сезонов), а в промежуточные периоды происходила смена оперения (см. рис. 77). Этот основной ритм, по-видимому, определялся каким-то внутренним механизмом.

Рис. 78. Когда золотистый суслик выходит из спячки, температура его тела за 2 часа поднимается от почти нулевой до нормальной. На графиках представлены результаты четырехлетних наблюдений за изменениями массы тела у животных во время спячки. (Pengelly, Amundsen, 1971.)

Другой ультрадианный цикл поведения, свойственный многим млекопитающим, — это зимняя спячка. Золотистый суслик, коренной житель Скалистых гор, на время суровых тамошних зим впадает в спячку. В лаборатории в условиях постоянной температуры (как при 0°С, так и при обычной комнатной температуре) и чередующихся 12-часовых периодах света и темноты суслики все-таки в сентябре — октябре начинали больше есть и набирали вес, а затем впадали в спячку, причем температура тела у них снижалась почти до 0°С (см. рис. 78). Весной они просыпались, приступали к еде и становились подвижными. Этот годичный цикл для золотистого суслика, по-видимому, генетически запрограммирован. Действительно, зверьки, родившиеся и выращенные в лаборатории при постоянных световых и температурных условиях, обнаруживали характерные циклы поведения на протяжении трех лет.