Биологические часы

Биологические часы

Хронобиология - наука о временной организации биологических систем и процессов

Биологический ритм – цепь повторяющихся в определенной последовательности изменений какого-либо биологического показателя

В XVIII веке Ученый секретарь Парижской Королевской  Академии наук де Мэран провел наблюдение за движение листьев фасоли на свету и в темноте.

Затем Дюмель повторил опыты де Мэрана, поместив растения в глубокую пещеру.

 Существует  несколько идей о том, как  естественный отбор  мог благоприятствовать  тем созданиям, внутренняя динамика  которых соответствовала периоду  вращения планеты:

• Суточный цикл активности  первых клеток поначалу просто повторял ежедневный цикл света-темноты, тепла-холода. Ритмы окружающей среды, обусловленные вращением планеты, грубо вмешиваются во внутренние дела клетки, навязывая ей внутренние ритмы. И такая клетка, обладая даром предвидения, заранее была готова к неблагоприятным периодам.
• Примитивная клетка  поддерживала постоянный уровень обмена веществ при постоянных внешних условиях. Но постоянную деятельность поддерживать нелегко.  Непостоянство даже желательно, например, чтобы развести несовместимые биохимические процессы во времени. Те функции, которым «посчастливилось» повторяться регулярно с частотой, соответствующей ритмам окружающего мира, могли закрепиться в ряду поколений.
• Часы защищали хрупкий механизм одноклеточного организма, а точнее ее ДНК, от разрушительного действия солнечных лучей: репликация осуществлялась в “ночной” период цикла. На протяжении ночи  мог накапливаться какой-нибудь побочный  продукт обмена веществ и к утру его уровень достигал определенного порога, что переключало клетку с ночного режима работы на дневной.

У всех организмов в процессе эволюции сложились  суточные и сезонные ритмы жизни. Каждый из биоритмов имеет внешний  физический синхронизатор. Солнце в  системе с Землей (день и ночь) – синхронизатор биоритмов.

Без часов нельзя решать задачи навигации  по Солнцу или звездам. Заметив, что богатые нектаром цветущие растения растут в направлении под определенным углом относительно Солнца, пчелы при повторном полете за нектаром должны делать поправку на движение Солнца. Для этого нужны часы.

Циркадные ритмы

Циркадный ритм (лат. circa около + лат. dies день) – название, которое дано близкому к 24-часовому циклу биологических процессов живых организмов, регулирующемуся «внутренним часам».

Циркадные ритмы обнаружены не только у животных (позвоночных и беспозвоночных), но и у грибов, растений, простейших и даже бактерий.

Основные  особенности циркадных ритмов:

• Ритм сохраняется при постоянных условиях и имеет период близкий к 24 часам.
• Ритм не зависит от температуры, пока она изменяется в диапазоне пригодном для жизнедеятельности.
• Ритм может быть синхронизован под действием внешнего освещения.

 

Известно, что растения и животные не реагируют  немедленно на резкие искусственные  или природные изменения условий  освещения, однако существует механизм адаптации и рано или поздно внутренние часы организма приспосабливаются  к новому ритму. Примером такого явления  является адаптация человека к изменениям времени суток при перелете между  часовыми поясами.

Самые простые циркадные ритмы обнаружены у цианобактерий, обладающих автотрофным способом питания.  Это одна из древнейших групп в мире прокариот. Циркадную ритмичность у них имеют процессы экспрессии генов, фиксации азота и фотосинтеза. Были проведены опыты, в которых гены биолюминесцентных (светящихся) белков встраивались в геном цианобактерий и у всех полученных штаммов наблюдалась сходная картина циркадных изменений интенсивности люминесценции.

Установлено, что у растений есть 13 физиолого-биохимических  процессов, протекающих в их организме  с определенным ритмом, т. е. с размеренным  чередованием усиления и ослабления. Например, открывание и закрывание цветков, замыкание и размыкание устьиц, усиление и ослабление фотосинтеза, транспирации, дыхания и т. п.

В 1755 г. знаменитый шведский ботаник К. Линней устроил в ботаническом саду в  Упсале цветочные часы, или часы флоры, в виде клумбы.

На этикетках  было указано, в какие часы открываются  и закрываются цветки или соцветия каждого растения .

Современному  миру так понравилась эта идея цветочных часов и во многих городах  появились такие часы-цветы. Первыми, конечно же, были швейцарцы.

Люди, подобно  всем живым существам, обладают внутренними  часами.

Примеры суточных ритмов:

● регулярная потребность во сне

● изменение содержания

химических  веществ 

(сахара  в крови, адреналина и др.)

● масса тела достигает максимума в 18-19 часов

● частота сердечных сокращений –  в 15-16

● артериальное давление – в 15-18

● температура тела – в 18 часов

Люди  лучше животных и растений могут  приспосабливать свои биологические часы к изменениям окружающей среды.

Появившись  на свет, дети засыпают и просыпаются, совершенно не принимая во внимание смену дня и ночи или поведение родителей, но примерно с шестинедельного возраста у них устанавливается режим сна и бодрствования, примерно укладывающийся в 24 часа.

Не у  каждого человека суточный цикл охватывает ровно 24 часа

"жаворонки" – биологические часы

идут  немного быстрее 

"совы" – люди с отстающими

биологическими  часами

"голуби" – люди с

промежуточным хронотипом

Соотношении групп хронотипов - примерно 15: 50: 35

Как   устроен механизм биологических  часов?   

• Для измерения времени нужен какой-то периодический процесс – "маятник". Что за маятник в клетке? Насколько точными должны быть внутриклеточные часы? Должен быть процесс с периодом колебаний порядка секунд. Какой это процесс?
• Как обеспечивается независимость хода часов от температуры? Ход часов не должен зависеть от температуры. Уж очень непостоянна температура среды обитания.
• Как в биологических часах осуществляется преобразование околосекундных колебаний в околосуточные?
• Как происходит регулировка и подстройка часов относительно внешних периодических процессов ("сигналов точного времени")? Должны быть "рецепторы", воспринимающие эти внешние сигналы, например, световые импульсы.
• Как осуществляется "временная организация" – согласование всех внутриклеточных часов многоклеточного организма? Такое согласование предполагает какую-то систему сигнализации между клетками. Что за сигналы посылают они друг другу?
• Как достигается иерархия – подчинение часов одних клеток сигналам часов других, "руководящих", клеток? Где в многоклеточном организме со сложной анатомией находятся главные часы?

В основе внутриклеточных часов должны лежать биохимические колебательные процессы. Первый бесспорно периодический  биохимический процесс открыл выдающийся американский биохимик Бриттен Чанс. Колебания синтеза АТФ были "вполне подходящие", с периодом порядка минуты, вполне годились на роль маятника биологических внутриклеточных часов.

Однако  вскоре наступило разочарование. Эти  колебания в гликолизе сильно зависят от температуры.

А часы от температуры зависеть не должны.

Все больше данных свидетельствовали в пользу того, что часы идут в полном покое, когда энергия почти не расходуется:

•   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
•   Не сбиваются с нужной фазы и околосуточные периодические процессы у растений, помещенных на много недель в темноту при постоянной температуре.
• Эвглена зеленая днем проявляет положительный фототаксис. Если ночью направить на сосуд с эвгленами узкий луч света, они на него не реагируют. 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, 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 продолжают проявлять способность  к фототаксису.

Но  если добавить в воду яды, отравляющие  процессы считывания генетической информации, например, актиномицин Д, препятствующий функционированию РНК-полимеразы, осуществляющей траскрипцию, часы сбиваются, ход их нарушается. Эти наблюдения сделаны 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.

Почему  яды, отравляющие синтез белка, выключают, останавливают внутриклеточные  часы?

У разных видов дрозофил обнаружена разная суточная активность. В лаборатории К. Питтендрича было впервые установлено существование у дрозофилы гена биологических часов – ген per (Period). Мутации этого гена приводят к наследуемым изменениям хода часов.

Аналогичные гены были обнаружены у низшего гриба  – нейроспоры, крестоцветного растения арабидопсис, мыши.

Сейчас  выделяют два семейства часовых  генов - периодические (Per) и криптохромные (Cry).

        Каким образом работает этот молекулярный хронометр?

«Шестерёнками»  в этих часах служат транскрипционные факторы, активность которых меняется с течением дня. В основе часового механизма лежат два белкa: CLOCK (CLK) и BMAL1, изменяющих транскрипцию генов Period (PER) и Chryptochrome (CRY).

У растений свет и темноту воспринимает каждая клетка. Особый пигмент – фитохром заряжается положительно под действием изменений спектрального состава света при восходе солнца и теряет положительный заряд под действием изменений светового спектра при закате солнца. Передача возбуждения от пигмента к плазме клеток происходит при участии того же вещества (ацетилхолина), которое служит переносчиком возбуждения в нервной системе животных. С помощью фитохрома клетки растений могут как бы отсчитывать «светлое» и «темное» время.

Организм  человека как целостная система  может нормально существовать только при временном согласовании всех его функций, что предполагает существование  "центральных" часов. Относительно недавно было показано, что эти главные часы расположены в головном мозге в супрахиазменном ядре таламуса. К этим часам подходят нервные волокна от зрительного нерва, и с кровью приносятся различные гормоны.

Схема "идеальных" суточных ритмов синтеза  "гормона бодрствования" - кортизола и "гормона сна" - мелатонина

У большинства  людей уровень кортизола в  крови начинает нарастать с полуночи и достигает максимума к 6-8 часам  утра. К этому времени практически  прекращается выработка мелатонина.

Приблизительно  через 12 часов концентрация кортизола  начинает снижаться, а спустя еще 2 часа запускается синтез мелатонина. Но эти временные рамки весьма условны. У "жаворонков", например, кортизол достигает максимального уровня раньше - к 4-5 часам утра, у "сов" позже - к 9-11 часам. В зависимости от хронотипа смещаются и пики выброса мелатонина.

Последние исследования американского доктора  Себастьяна Каденера показали, что для функционирования циркадных ритмов жизненно необходима крошечная молекула – микроРНК (miRNA), которая распознает и регулирует перевод генных часов. МикроРНК - это очень коротенькие последовательности рибонуклеиновых кислот, которых у человека и животных не так много - около 300 разновидностей. Они координируют работу целых групп генов.