Пчел на зиму укрывают от морозов и света, они цепенеют в своих темных ульях. А часы у них «идут» всю зиму, и весной пчелы правильно определяют время суток, что необходимо им для правильного выбора направления полета к цветущим растениям за «взятком».

Охлаждаются и цепенеют при температуре, близкой к 0°С, повисшие вниз головой в темных пещерах летучие мыши. Проходит много месяцев до теплых летних ночей (все это время у них правильно идут часы), и в нужное время они вылетают на ловлю ночных насекомых.

Не сбиваются с нужной фазы и околосуточные периодические процессы у растений, помещенных на много недель в темноту при постоянной температуре. Внешне нет никаких проявлений хода часов, движения «стрелок» не видно. Но дайте краткую вспышку света, и окажется, что все это время часы правильно отсчитывали время: у фасоли листья будут опускаться или подниматься так же, как и у контрольных растений, бывших при нормальной смене дня и ночи (это упрощенная картина).

Часы идут даже при почти полной остановке метаболических процессов. В этих исследованиях важные результаты дает применение различных ядов–ингибиторов биохимических процессов.

Я уже упоминал морской одноклеточный организм Gonyaulax. Он светится ночью, следуя своим внутриклеточным часам. Всем известная зеленая эвглена, наоборот, ночью неактивна. Днем она активно плывет в сторону большей освещенности, проявляет положительный фототаксис. Свет необходим ей для фотосинтеза. Ночью, если направить на сосуд с эвгленами узкий луч света, они на него не реагируют, фототаксиса не проявляют. Наступление дня и ночи зеленая эвглена определяет по своим внутренним часам.

Если добавить в воду, где живут эти организмы, метаболические яды, останавливающие дыхание и гликолиз, жизнедеятельность их замирает, эвглены перестают двигаться, гониаулаксы не могут генерировать свет. Если перенести их в свежую среду, отмыть яды, жизнедеятельность восстанавливается. Но самое замечательное: оказывается, что все это время их часы шли вполне правильно, как будто бы клетки и не отравляли: после отмывания ядов они вовремя начинают испускать свет и вовремя проявлять способность к фототаксису. Но если добавить в воду яды, нарушающие процессы считывания генетической информации, например, актиномицин Д, препятствующий функционированию РНК-полимеразы – синтезу мРНК по матрице ДНК, – часы сбиваются, ход их нарушается. Эти наблюдения сделаны в 1960-х гг. американским исследователем Гастингсом.

Однако найти реакции синтеза белка в клетке с колебаниями скорости с периодом порядка секунд не удалось, а именно такие колебания нужны для обеспечения должной точности часов. И, вообще, после периода общего увлечения колебательными биохимическими процессами наступило (как обычно бывает) «охлаждение чувств». Колебательные режимы биохимических процессов стали казаться экзотикой, проявляющейся лишь в особых условиях. Но вот в последние годы интерес к этим процессам вновь пробудился.

Для самых разных клеток и тканей оказались характерными колебания концентрации ионов кальция с периодами порядка секунд–нескольких минут. Это взволновало исследователей, потому что именно ионы кальция являются универсальными регуляторами внутриклеточных процессов. Изменение их концентрации часто включает или выключает метаболические процессы – сокращение мышц, активность нервных клеток, определяет их электрическую активность.

Очень может быть, что колебательные изменения потоков кальция в клетке, периодические изменения проницаемости биологических мембран, периодические открывания и закрывания кальциевых каналов обусловлены специфическими физико-химическими свойствами – особенностями взаимодействия именно ионов кальция с фосфолипидными мембранами. Это, по-видимому, следует из замечательных опытов Г.Д. Мироновой в Институте теоретической и экспериментальной биофизики РАН в Пущино.

Можно представить себе, что и взаимодействие соседних клеток осуществляется посредством колебаний концентрации кальция. А взаимодействие отдаленных друг от друга клеток, например в разных отделах головного мозга, вероятно, осуществляется посредством относительно низкочастотных электромагнитных колебаний, порождаемых колебаниями концентраций ионов (кальция, а затем натрия и калия) в отдельных мозговых структурах.

Но при чем тут синтез белка? Почему яды, нарушающие синтез белка, останавливают внутриклеточные часы? Это долго не удавалось понять. Успех здесь, как и во многих других областях современной биологии, был обусловлен изучением мутантов.

Существуют гены биологических часов

Более 50 лет назад К.Питтендрич начал изучение периодичности в жизни дрозофил. У разных видов разная суточная активность. Дрозофилы одних видов активны в утренние часы, других – в вечерние. Особенно четко суточная периодичность у них проявляется во время массового выхода взрослых мух из коконов.

К.Питтендрич создал замечательную школу исследователей. Мы обязаны этому ученому многими достижениями. В его лаборатории и было впервые установлено существование у дрозофилы гена биологических часов. В определенных местах хромосом есть ген per, определяющий циркадную периодичность. Мутации этого гена приводят к наследуемым изменениям хода часов. Аналогичные гены были обнаружены у низшего гриба нейроспоры и у крестоцветного растения арабидопсис.

Гены кодируют определенные белки. Следовательно, существуют per-белки, определяющие ход биологических часов. Нарушение синтеза этих белков под действием различных ингибиторов останавливает часы. Синтез per-белка осуществляется периодически; периодичность обусловлена тем, что по мере его синтеза по принципу обратной связи начинается торможение, ингибирование считывания – транскрипции гена.

Как именно достигается эта периодичность, еще не ясно. Однако уже известно, что именно в этой системе регуляции транскрипции существуют звенья (вещества), чувствительные к свету. Именно они даже при очень коротком импульсе света корректируют фазу внутриклеточных часов.

Еще не ясно, как белки – продукты этого гена – управляют жизнедеятельностью. Можно строить пока гипотетические схемы, связывающие образование в клетке этого белка и ритм и амплитуду быстрых кальциевых колебаний. Но что особенно замечательно – это успехи в выяснении, как казалось, самого трудного вопроса – температурной независимости часов.

Как показано в работе группы авторов в 1995 г., per-белки обладают уникальными свойствами. Их аминокислотные цепи образуют петлю: складываются при взаимодействии аминокислот друг с другом. Кроме того, отдельные молекулы белка образуют димеры, соединяясь друг с другом. Процесс внутримолекулярного взаимодействия и процесс межмолекулярного взаимодействия в точности противоположным образом зависят от температуры. Повышение температуры приводит к уменьшению активности одного процесса и увеличению активности другого таким образом, что итоговая «активная поверхность» белка остается постоянной. И часы идут независимо от температуры.

В том, как устроены биологические часы, остается много неясного, но, возможно, скоро мы поймем механизмы их функционирования. Залогом этого служат замечательные методические достижения современной экспериментальной биологии. Примером этих достижений могут служить исследования циркадных часов у арабидопсиса – растения, популярного в последние десятилетия у генетиков.