авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ БИБЛИОТЕКА РОССИИ

КОНФЕРЕНЦИИ, КНИГИ, ПОСОБИЯ, НАУЧНЫЕ ИЗДАНИЯ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:   || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 13 |
-- [ Страница 1 ] --

Биологические ритмы. В 2-х т. Т. 1. Пер. с англ. — М.: Мир, 1984.— 414 с.

БИОЛОГИЧЕСКИЕ

РИТМЫ ПОД РЕДАКЦИЕЙ Ю. АШОФФА

В ДВУХ

ТОМАХ

ТОМ I

Перевод с английского

канд. биол. наук А. М. АЛПАТОВА,

В. В. ГЕРАСИМЕНКО н М. М. ПОПЛАВСКОЙ

под редакцией

проф. Н. А. АГАДЖАНЯНА МОСКВА «МИР»

1984 Биологические ритмы. В 2-х т. Т. 1. Пер. с англ. — М.: Мир, 1984.— 414 с.

ББК 28.07 Б 63 УДК 57.02 Биологические ритмы. В 2-х т. Т. 1. Пер. с англ. — М.:

Б 63 Мир, 1984.— 414 с., ил.

Коллективная монография, написанная учеными США, Англии, ФРГ, Нидерландов и Канады, посвящена различным аспектам ритмического изменения биологических процессов.

В первый том вошли общие представления о биологических ритмах (их классификация, методы исследования, математические модели и др.) и различные аспекты циркадианных ритмов у беспозвоночных, позвоночных и человека.

Во втором томе рассмотрены прилнвиые, лунные и годовые ритмы (в том числе явления фотопериодизма у насекомых и позвоночных животных) и ритмы, иепосредствеино ие связанные с циклами окружающей среды.

Книга предназначена для физиологов, нейрофизиологов, хронобиологов, врачей.

Редакция литературы по биологии © 1981 Plenum Press, New York © Перевод на русский язык, «Мир», Биологические ритмы. В 2-х т. Т. 1. Пер. с англ. — М.: Мир, 1984.— 414 с.

ПРЕДИСЛОВИЕ РЕДАКТОРА ПЕРЕВОДА Могущественный двадцатый век бурно ворвался в историю человечества невиданными и ошеломляющими переменами.

Стремительные темпы развития науки и техники, поразительные достижения в области транспорта, связи, коммуникации и информации изменили наши представления о времени и пространстве, о масштабах земных расстояний. Будто бы сжалась наша планета, слились меридианы и параллели, и мир перестал уже казаться человеку необъятно огромным.

Решая актуальные проблемы, возникающие перед человечеством сегодня, мы сталкиваемся с тем, что корни некоторых из них уходят в биологию, в область основных феноменов живой материи. На «стыке» смежных научных дисциплин не только совершаются самые глубокие открытия, зарождаются новые подходы к изучению различных явлений природы, но и возникают новые научные направления.

Одна из молодых и быстро развивающихся наук двадцатого века — биоритмология, или хронобиология, т. е. наука, изучающая циклические биологические процессы, имеющиеся на всех уровнях организации живой системы.

Из года в год возрастает интерес к проблемам биоритмологии, методологические принципы которой уверенно проникают в исследования всех уровней организации живого — от молекулярного до уровня целостного организма. И это лонятно, если учесть, что в течение миллионов лет эволюционного развития шел процесс не только непрерывного усложнения и совершенствования структурной организации живых систем, но и процесс их временной организации. Адаптация организма к постоянно меняющимся условиям окружающей среды обеспечивалась не отдельными органами, а скоординированными во времени и пространстве и соподчиненными между собой специализированными функциональными системами. Не случайно в настоящее время через исследования временной организации биосистем изучаются эколого-физиологические механизмы адаптации к новой среде обитания и изыскиваются научно обоснованные средства коррекции нарушений, возникающих при воздействии на организм различных неблагоприятных факторов.

Исследования проводятся на разных уровнях биологической организации — от индивидуума как основной единицы биологического сообщества через популяцию до экосистемы. При этом возникает множество вопросов. Что лежит в основе биологических ритмов? Каковы главные механизмы, ими управляющие, и где расположены центральные регулирующие структуры? Какая степень сложности живых систем необходима для функционирования биологических часов? Именно потому, что биоритмология.относится к числу молодых наук, в этой области ощущается дефи Биологические ритмы. В 2-х т. Т. 1. Пер. с англ. — М.: Мир, 1984.— 414 с.

6. Предисловие редактора перевода _ цит информации. Одаим из самых значительных событий в истории биоритмологии, пожалуй, был состоявшийся в 1960 г.

международный симпозиум в Колд-Спринг-Харбор, материалы которого были опубликованы на русском языке (Биологические часы, М.: Мир, 1964). Многие работы, представленные на этом симпозиуме, определили генеральную линию развития биоритмологии и в дальнейшем служили в качестве образцов для постановки и решения отдельных наиболее актуальных задач. Все это 'способствовало формированию у исследователей достаточно цельного взгляда на разнообразные ритмические явления и обеспечило наибольший прогресс в исследовании биологических ритмов. В результате изучения природы и физико-химической сущности циклических процессов в живом организме, а отчасти и выяснения феноменологии постепенно сложилась более или менее устойчивая система признанных представлений, не получивших пока достаточной известности в нашей стране. Поэтому особенно важно и символично, что двадцать лет спустя после выхода в свет книги «Биологические часы» советский читатель снова получает возможность ознакомиться с современным мировым уровнем достижений биоритмологии.

Настоящая книга «Биологические ритмы», которая входит в пятитомное «Руководство по нейробиологии поведения» (Handbook of Behavioral Neurobiology), пo полноте и глубине охваченных проблем представляет собой уникальное явление. Это капитальный труд, в котором обобщены практически все осно-. вополагающие достижения современной биоритмологии. Авторский коллектив представлен виднейшими высококвалифицированными специалистами, такими как редактор книги Ю. Ашофф, а также К. Питтендрих, Р. Вивер, Ф. Салзмен, С. Дан, Э.

Гвиннер, М. Менакер, В. Уэбб, Б. Рузак, Т. Павлидис, и другими известными учеными.

Большая часть книги посвящена циркадианным (суточным) ритмам, что соответствует значению и степени разработанности этого раздела хронобиологии. Существенная особенность данной книги — то, что в ней последовательно проводится концептуальное разделение циркадианной системы на ведущие центральные осцилляторы и наблюдаемые ведомые ритмы организма. Развитие и конкретизация понятия ведущего осциллятора, своеобразного «маятника биологических часов», отражает качественно новый этап, достигнутый в понимании функционирования циркадианной системы.

Помимо подробного и всестороннего анализа циркадианных ритмов достаточно полно рассмотрены годовые ритмы у животных и человека. В книге четко представлен сравнительно физиологический подход в анализе циклических процессов, дана методология, позволяющая оценить фундаментальные понятия Биологические ритмы. В 2-х т. Т. 1. Пер. с англ. — М.: Мир, 1984.— 414 с.

Предисловие редактора перевода теории колебаний. Рассмотрены ритмы поведения беспозвоночных, позвоночных, онтогенез, генетика и развитие циркадианных ритмов. С научно-практической точки зрения заслуживают самого пристального внимания главы, посвященные исследованию ритмов работоспособности и адаптивной суточной стратегии поведения на уровне популяции, вида, отдельного индивидуума. Здесь обобщен богатый экспериментальный материал, подтверждающий гипотезу об эндогенной основе изменения работоспособности в зависимости от циркадианных ритмов. Установленная во многих работах суточная динамика чувствительности организма к лекарственным препаратам по-новому ставит вопросы профилактики и лечения многих грозных заболеваний.

Достижения современной биоритмологии и накопленные факты свидетельствуют о том, что свое отношение к временному фактору должны будут изменить не только клиницисты и фармакологи, но и представители многих других биологических специальностей: животноводы, растениеводы, пчеловоды, селекционеры, генетики, биохимики, ученые, работающие в области авиакосмической, подводной и спортивной физиологии.

В специальных главах собраны данные о лунных (приливных) ритмах, явлениях фотопериодизма, половых циклах, о колебательной структуре сна и короткопериодных (ультрадианных) ритмах подвижности животных. Вероятно, нет нужды подробнее характеризовать отдельные главы: их содержание достаточно полно отражено в оглавлении.

При переводе книги на русский язык возникли серьезные трудности с терминологией. Для ряда терминов, общепринятых и широко распространенных за рубежом, в русском языке не оказалось однозначных эквивалентов и аналогов. Отчасти это можно объяснить тем, что наша биоритмология до сих пор развивалась своим путем и при том формировала свои собственные понятия. В то же время за последние 20 лет на русский язык не было переведено ни одной книги по биоритмологии. С переводом настоящей книги появилась благоприятная возможность сократить разрыв и попытаться найти общий биоритмологический язык с нашими зарубежными коллегами. При этом терминологические барьеры следовало преодолевать таким образом, чтобы сохранить суть конкретного понятия и ради термина не упрощать и не вульгаризировать тот смысл, который вкладывали в эти понятия авторы оригинала.

Основной вклад в успешное, на наш взгляд, решение этой труднейшей задачи, как и в перевод основных разделов книги, внес один из переводчиков книги — кандидат биологических наук А. М. Алпатов. При переводе были введены некоторые предложенные им терминологические новшества.

Ряд ключевых терминов в зависимости от контекста получил Биологические ритмы. В 2-х т. Т. 1. Пер. с англ. — М.: Мир, 1984.— 414 с.

8 _ Предисловие редактора перевода двоякий перевод. Так, на уровне целого организма: внешний периодический фактор (Zeitgeber) является ориентиром, сигналом времени,— это который в результате времязадатель, «информационного воздействия» на организм обеспечивает согласование (entrainment) — синхронизацию ритмов различных физиологических и психологических показателей (overt rhythms) — наблюдаемых ритмов. На уровне циркадианной системы (системы осцилляторов): внешний периодический фактор (Zeitgeber) является вынуждающей силой — это принудитель, который в результате «силового воздействия» на ведущий осциллятор (раcemaker)— колебатель — задает его период и фазу (entrainment), т. е.

обеспечивает его захватывание. Колебатель в свою очередь захватывает зависимые от него ритмы (overt rhythms или slaves) — подневольные ритмы. Таким образом, в зависимости от того, ведется ли изложение на уровне организма в целом или его колебательной системы, Zeitgeber переводится как времязадатель или принудитель, entrainment — как синхронизация или захватывание, overt rhythms (slaves) — как наблюдаемые или подневольные ритмы. «Pacemaker» — циркадианный ведущий осциллятор — был переведен как «колебатель», чтобы отличить его от известных в физиологии ритмоводителей (пейсмейкеров), например в миокарде.

Разумеется, только время покажет, насколько удачны эти и некоторые другие новшества. И все же хочется надеяться, что они не помешают читателю, а, наоборот, помогут лучше воспринять и освоить суть излагаемых проблем. Книга прекрасно иллюстрирована, содержит огромную библиографию, удачно сочетает широту обобщений и конкретность фактического материала.

Предлагаемая книга, несомненно, представит большой интерес для широкого круга специалистов и будет способствовать дальнейшему укреплению международных связей между учеными и более плодотворной разработке одного из фундаментальных направлений биологической науки. Этому будет способствовать и то, что за последние годы в нашей стране армия специалистов, работающих по этой проблеме, значительно выросла: открыты специальные лаборатории по биоритмологии, созданы 'проблемные комиссии и общества хронобиологов, проводятся всесоюзные конференции и симпозиумы, а также совместные исследования с зарубежными хронофизиологами.

29.04.83 Н. А. Агаджанян Перевод гл. 1—5, 7—9, 11—16 (1 том), 17—19, 23, 24 ( том) осуществлен А. М. Алпатовым, гл. 10 (1 том), 20—22, 25 ( том) В. В. Герасименко, гл. 6 (1 том) М. М. Поплавской.

Биологические ритмы. В 2-х т. Т. 1. Пер. с англ. — М.: Мир, 1984.— 414 с.

ПРЕДИСЛОВИЕ Интерес к биологическим ритмам прослеживается на протяжении двух с половиной тысячелетий и восходит к Архилоху — древнегреческому поэту, у которого мы находим (познай, какой слова:

ритм владеет людьми) [1]. Можно также сослаться на французского студента-медика Ж. Вире, который в своей диссертации в 1814 г.

впервые использовал выражение «horloge vivante» (живые часы) для описания суточных ритмов. В. Гуфеланд (1779) назвал 24 часовой период «единицей нашей естественной хронологии».

Однако лишь начиная с 30-х годов XX века наметился реальный прогресс в исследовании биологических ритмов. В 1958 г.

Эрвин Бюннинг [2] опубликовал первую, но до сих пор не устаревшую монографию в этой области. Спустя два года, в разгар удивительных открытий, мы собрались на симпозиуме по биологическим часам в Колд-Спринг-Харбор [3]. Обзор основных известных в то время закономерностей, а также далеко идущие представления о временной организации живых систем, которые развивал Питтендрих, сделали этот симпозиум значительной вехой на нашем пути от формального описания биологических ритмов к пониманию их структурной и физиологической основы.

Между тем исследование биологических ритмов привлекла множество специалистов самого разного профиля, и достоверные факты быстро накапливались. Поэтому сейчас, через 20 лет после симпозиума в Колд-Спринг-Харбор кажется уместным снова подвести итоги нашим знаниям. В заглавии настоящей книги стоит выражение «биологические ритмы», более широкое и менее определенное, чем «биологические часы». Это позволяет обсуждать здесь и такие ритмические явления, которые могут быть не связаны с измерением времени, как, например, короткопериодные ритмы подвижности животных, ритмическая структура сна и овариальные циклы. Однако ритмы с еще более короткими периодами, такие как разряды рецепторных нейронов, сокращение сердца и дыхание, здесь не рассматриваются. Основное внимание уделено тем ритмам, которые сложились в ходе эволюции как приспособление к периодической среде, за Биологические ритмы. В 2-х т. Т. 1. Пер. с англ. — М.: Мир, 1984.— 414 с.

10Предисловие креплены в генетической структуре и могут использоваться организмами как подлинные часы. Главный предмет изучения составляют суточные, приливные, лунные и годовые ритмы.

Общее для них то, что они ведут себя как автономные (самоподдерживающиеся) колебания и, кроме того, поддаются «захватыванию» (синхронизации) периодическими факторами среды. Вместе они образуют особый класс так называемых «циркаритмов».

Из 25 глав 14 посвящены циркадианным ритмам;

здесь рассмотрены теоретические принципы захватывания, ритмы поведения и их нейроэндокринный контроль у беспозвоночных и позвоночных, генетика и онтогенез циркадианных ритмов, их адаптивное значение. Две главы посвящены циркадианным ритмам человека. В главе 17 дается обзор приливных и лунных ритмов.

Далее следуют пять глав о годовых ритмах, где речь идет, в частности, о фотопериодизме у насекомых и позвоночных и о годовых ритмах человека.

Несмотря на то что каждый из авторов может по-своему видеть свою проблему, все они придерживаются единой основной концепции, включая общую терминологию. Написанные ими главы, взятые вместе, воссоздают обобщенную картину многоосцилляторной структуры биологических систем, которая находится под контролем центральных пейсмейкеров. В сущности, эта книга показывает, что организация жизнедеятельности во времени так же важна, как и организация в пространстве.

Изучение физиологических механизмов, лежащих в основе циркаритмов, быстро продвигается вперед. Вопрос о том, насколько «часы» обособлены от остального организма [4], возможно, скоро будет разрешен в отношении циркадианных ритмов [5]. Хочется верить, что обзор современного состояния проблемы, сделанный в этой книге, послужит стимулом для дальнейших исследований и в результате — кое в чем со временем устареет. И все же я думаю, что книга и в грядущие годы может остаться ценным источником информации.

Юрген Ашофф 1. Aschoff I. Speech after dinner. In: J. Aschoff, F. Ceresa and F. Halberg (eds.), Chronobiological Aspects of Endocrinology, Chronobiologia, (Suppl. 1), 1974, 483—495.

2. Bunning E. Die physiologische Uhr, Berlin, Springer Verlag, 1958.

3. Chovnlk A. (d.). Biological Clocks, Cold Spring Harbor Symposia in Quantitative Biology, 25, 1,961.

4. Pittendrigh C. S. Circadian clocks: What are they? In: J. W. Hastings and H.

G. Schweiger (eds.), The Molecular Basis of Circadian Rhythms (Dahlem Konferenzen 1975), Berlin, Life Sciences Research Reports, 1976.

5. Suda M., Hayaishi O., Nakagawa H. (eds.). Biological Rhythms and Their Central Mechanisms, Amsterdam, Elsevier, North Holland, 1979.

Биологические ритмы. В 2-х т. Т. 1. Пер. с англ. — М.: Мир, 1984.— 414 с.

Список авторов Aschoff, Jiirgen, Max-Planck-Institut fur Verhaltensphysiojogie, Andechs, BRD Binkley, Sue, Department of Biology, Temple University, Philadelphia, Pennsylvania Brady, John, Department of Zoology and Applied Entomology, Imperial College of Science and Technology at Silwood Park, Ascot, Berks, England Campbell, Constance S., Department of Biological Sciences, Northwestern University, Evanston, Illinois Colquhoun, Peter, Medical Research Council Perceptual and Cognitive Performance Unit, University of Sussex, Brighton, England Daan, Serge, Zoology Department, Groningen State University, Haren, The Netherlands Davis, Fred C., Department of Anatomy and Brain Research Institute, University of California at Los Angeles, School of Medicine, Los Angeles, California Dube, Michael G., Department of Psychology, University of Florida, Gainesville, Florida Enright, James Thomas, Scripps Institution of Oceanography, University of California— San Diego, La Jolla, California Gwinner, Eberhard, Max-Planck-Institut fur Verhaltensphysiologie, RadolfzelMoggingen, BRD Hoffmann, Klaus, Max-Planck-Institut fur Verhaltensphysiologie, Andechs, BRD Konopka, Ronald I., Division of Biology, 216—76, California Institute of Technology, Pasadena, California Menaker, Michael, Department of Biology, University of Oregon, Eugene, Oregon Moore-Ede, Martin C., Department of Physiology, Harvard Medical School, Boston, Massachusetts Neumann, Dietrich, Zoologisches Institut der Universitt Kln, Koln, BRD Page, Terry L., Department of Biology, Vanderbilt University, Nachville, Tennessee Pavlidis, Theodosios, Department of Electrical Engineering and Computer Science, Princeton University, Princeton, New Jersey Pittendrigh, Colin S., Hopkins Marine Station, Stanford University, Pacific Grove, California Rusak, Benjamin, Department of Psychology, Dalhousie University, Halifax, Nova Scotia, Canada Saunders, D. S., Department of Zoology, University of Edinburgh, Edinburgh, Scotland Sulzman, Frank M., Department of Physiology, Harvard Medical School, Boston, Massachusetts Turek, Fred D., Department of Biological Sciences, Northwestern University, Evanston, Illinois Wallraff, Hans G., Max-Planck-Institut fur Verhaltensphysiologie, Seewiesen, BRD Webb, Wilse В., Department of Psychology, University of Florida, Gainesville, Florida Wever, Rutger, Max-Planck-Institul fur Verhaltensphysiologie Andechs, BRD Биологические ритмы. В 2-х т. Т. 1. Пер. с англ. — М.: Мир, 1984.— 414 с.

Глава 1. ОБЗОР БИОЛОГИЧЕСКИХ РИТМОВ Ю. Ашофф Повторение некоторого события в биологической системе через более или менее регулярные промежутки времени можно рассматривать как биологический ритм [24]. Понятие ритм достаточно расплывчато (т. е. не определено в физических терминах), чтобы быть применимым к разнообразным явлениям, которые могут отражать совершенно разные внутренние механизмы.

При попытке классифицировать ритмы появляется необходимость в более строгих определениях, которые зависят от выбранных критериев. Ритмы можно подразделять 1) по их собственным характеристикам, таким как период, 2) по биологической системе (пример: популяция), в которой наблюдается ритм, 3) по роду процесса, порождающего ритм, или 4) по функции, которую ритм выполняет. Некоторые из этих моментов кратко рассмотрены в последующих разделах.

Спектр ритмов Биологические ритмы охватывают широкий диапазон периодов— от миллисекунды до нескольких лет. Их можно наблюдать в отдельных клетках, тканях и органах, в целых организмах или только в популяциях. Рис. 1 дает представление о диапазоне частот и разнообразии уровней интеграции, на которых проявляются ритмы. Этот рисунок полезен также для того, чтобы поставить фундаментальный вопрос: отражает ли ритм, наблюдаемый в данной биологической системе, просто реакцию на периодическое воздействие, внешнее по отношению к этой системе (экзогенный ритм), или же он порождается внутри системы (эндогенный ритм)? В понятиях физики — экзогенные ритмы подобны вынужденным колебаниям в пассивных системах, т. е.

системах, в которых колебания возможны только под действием внешних периодических возмущений или сигналов (вынуждающих сил) и затухают, когда внешнее воздействие становится постоянным. С другой стороны, эндогенные ритмы часто уподобляют самоподдерживающимся колебаниям (автоколебаниям) в активных системах, т. е. системах, колебания в которых при постоянном поступлении энергии продолжаются не Биологические ритмы. В 2-х т. Т. 1. Пер. с англ. — М.: Мир, 1984.— 414 с.

Обзор биологических ритмов _ Рис. 1. Биологические ритмы. Источники данных: А — [20] (фоновый шум исключен);

Б — Н. D. Lux, Мюнхен;

В— [7];

Г— [231;

Д — [261;

Е — по данным Institute Nacional de Estadistica, Madrid, 1969;

Ж — [H].

Биологические ритмы. В 2-х т. Т. 1. Пер. с англ. — М.: Мир, 1984.— 414 с.

14 _ Глава 1 _ затухая. Более широкое определение эндогенных колебаний включает и свободные затухающие колебания в пассивной системе, для которых в биологии нет специального термина, но которые могут часто встречаться в биологических системах.

Такие ритмы, как разряды холодового рецептора при воздействии постоянной температуры 33,2 °С (рис. 1, А) или автономная периодическая активность пейсмейкерной клетки (5), несомненно, относятся к классу эндогенных ритмов. Между тем ритмы с периодами 24 ч (Г) или 1 год (Е) могут быть обусловлены периодическими факторами среды. Для того чтобы доказать их эндогенность, необходимы особым образом поставленные эксперименты (см. ниже). В связи с оставшимися тремя примерами (рис. 1, В, Д и Ж) возникает ряд проблем. Приблизительно 10 летний цикл плотности популяции рыси (Ж) не является, как предполагали раньше, реакцией на цикл изменения солнечных пятен, а представляет собой результат взаимодействия «хищник — жертва» [38]. Для того чтобы отнести его к эндогенным ритмам, определение биологической системы должно объединять и хищника, и жертву [1]. Пятидневный эстральный цикл крысы (Д) —это скорее всего эндогенный ритм, подобный овариальным циклам многих других видов, включая человека. Но чтобы строго обосновать это утверждение, необходимо показать, что пятидневный ритм не порождается периодическими суточными воздействиями, а только согласован с ними [14]. Наконец, для чередования активности и покоя с интервалом около 2 ч (В) следует выяснить, действительно ли оно представляет собой «ритм». Подобные картины, напоминающие более или менее регулярное повторение вспышек активности, могут быть результатом чисто стохастических процессов определенного типа [33] (см. также гл. 17 во втором томе). Другие ритмообразные явления, такие, как эпизоды секреции гормонов, могут относиться к только что упомянутой категории, но могут также представлять собой затухающие колебания или результат запрограммированной деятельности центрального нейронного механизма [46].

Четыре «циркаритма»

На протяжении всего спектра ритмы очень сильно различаются по изменчивости периода. Эти различия показаны на рис. 2, где горизонтальными полосками представлена индивидуальная (черные полоски) и межвидовая (белые полоски) изменчивость. Для большинства ритмов, которые можно наблюдать в центральной нервной системе или в системах кровообращения и дыхания, характерна большая индивидуальная изменчивость.

Другие эндогенные ритмы, такие как овариальный Биологические ритмы. В 2-х т. Т. 1. Пер. с англ. — М.: Мир, 1984.— 414 с.

_ Обзор биологических ритмов Рис. 2. Спектр биологических ритмов. Белыми полосками показана межвидовая изменчивость у млекопитающих, черными полосками — индивидуальная изменчивость у человека. БДГ — быстрые движения глаз (парадоксальная стадия сна). (По [1, 21], с изменениями.) цикл, проявляют малую индивидуальную, но значительную межвидовую изменчивость. Наконец, существуют четыре циркаритма (на рис. 2 они отмечены вертикальными линиями), периоды которых в естественных условиях не меняются, так как они синхронны с циклами внешней среды. Эти геофизические циклы — приливы, день и ночь, фазы луны и времена года. С ними связаны приливные, суточные, лунные и сезонные ритмы биологических систем, и по крайней мере на нескольких видах показано, что каждый из этих ритмов может поддерживаться в изоляции от соответствующего внешнего цикла [3]. В таких искусственных постоянных условиях период ритма обычно несколько отклоняется от периода соответствующего геофизического цикла. Иными словами, ритм в этих условиях протекает «свободно», со своим собственным, «естественным»

периодом. Если может быть показано, что такой свободнотекущий ритм сохраняется на протяжении многих циклов без затухания, то можно говорить, что он принадлежит к классу автоколебаний (эндогенных ритмов в строгом смысле). В качестве характерного примера из области суточных ритмов на рис. 3 представлены записи потребления кислорода двумя зябликами, которых содержали сначала при чередовании света и темноты (СТ), а затем при постоянном слабом освещении (СС). Период сво Биологические ритмы. В 2-х т. Т. 1. Пер. с англ. — М.: Мир, 1984.— 414 с.

16 Глава Рис. 3. Ритмы потребления кислорода у двух зябликов Fringilla coelebs, которых в течение 6 дней содержали в условиях чередования света и темноты (СТ), а затем при постоянном слабом освещении (СС). (Pohl, неопубликованные данные.) боднотекущего ритма на верхней записи несколько длиннее 24 ч, а на нижней — короче (об изменчивости см. гл. 4).

Поскольку период свободнотекущего ритма не равен в точности, а лишь близок к периоду соответствующего цикла внешней среды, Халберг [18] ввел префикс «circa-» и назвал суточный ритм циркадианным1. Позднее этот префикс был использован и для остальных трех эндогенных ритмов, отвечающих циклам внешней среды: околоприливных, окололунных и окологодовых2 [3]. Все четыре циркаритма имеют общие черты, характерные для автоколебаний (см. гл. 3) Представляется целесообразным применять префикс «цирка » только к тем ритмам, которые обычно синхронны с циклами среды, а свой собственный период (внутренне присущий системе) проявляют только в особых условиях. Вместо такого строго ограниченного употребления терминов предлагалось, например, называть эпизодическую секрецию гормона циркхоральным (околочасовым) ритмом [9];

последовательное применение подобного словообразования могло бы привести к таким терминам, как «циркасекундный» ритм сердечных сокращений.

Ультрадианные и инфрадианные ритмы Ведущая роль циркадианных ритмов послужила основанием для подразделения всего спектра на ультрадианные ритмы (с периодами короче циркадианных) и инфрадианные ритмы (с периодами длиннее циркадианных) [19]. Типичным приме Circa — вокруг, около, dies — день (лат.). — Прим. перев.

Соответствующие английские термины: circatidal, circalunar, circannual. — Прим. перев.

Биологические ритмы. В 2-х т. Т. 1. Пер. с англ. — М.: Мир, 1984.— 414 с.

Обзор биологических ритмов _ ром ультрадианных ритмов у человека может служить повторение стадии быстрых движений глаз (БДГ) во время сна примерно через 90 минут (см. гл. 24 во втором томе), а также циклы сходной длительности, наблюдаемые в период бодрствования: ритмы оральной активности [15, 40], общей двигательной активности [17], работоспособности [16, 28, 39], экскреторной функции почек [32] или появления иллюзий движения [30]. Однако значительная изменчивость периода и прогрессирующее удлинение интервалов, наблюдаемые в некоторых из этих ритмов [31], затрудняют их интерпретацию. У макаков-резусов были обнаружены ультрадианные ритмы поведения с периодами около 45 мин [35] и 90 мин [34].

Инфрадианные ритмы, помимо тех, что указаны на рис. 2 в правой части спектра, изучены значительно хуже. Недельные ритмы, которые иногда наблюдаются у животных в лабораторных условиях, например ритмы подвижности многоножки [36];

, откладывания личинок комаром [37] или ферментативной активности эпифиза у крысы [45], вероятно, вызываются периодическими возмущениями извне и потому относятся к немногим примерам экзогенных ритмов. У человека инфрадианные ритмы могут быть результатом привычки (например, потребление пищи детьми [8] ) или следствием режима лечения больных [5, 44].

Труднее объяснить случаи, когда такой ритм напоминает свободнотекущий с периодом около 7 дней, как, например, ритм откладки яиц ногохвосткой Folsomta Candida [6] ;

однако к интерпретации подобных данных следует подходить с осторожностью (см. критический анализ у Рихтера [43]). У человека свободнотекущие ритмы с периодом порядка недели, как утверждалось, проявляются в выделении с мочой 17 кетостероидов [19] и эстрона [13]. Другие данные позволяют предположить существование у мужчин 21-дневного ритма экскреции тестостерона [10, 25] и температуры тела [12]. Наконец, следует упомянуть множество циклических явлений, известных в медицине и породивших ряд гипотез, особенно в области психиатрии [41, 42].

Взаимодействие ритмов и их целесообразность Ритмы с разными периодами могут быть различным образом взаимосвязаны (рис. 4). Хорошо известна модуляция ритма сердечных сокращений дыханием. Многие ультрадианные ритмы в часовом диапазоне (вспышки активности, выделение гормонов и т.

п.) модулируются по частоте на протяжении циркадианного цикла.

Циркадианный ритм в свою очередь может зависеть по ряду параметров от окологодового ритма (см. гл. Биологические ритмы. В 2-х т. Т. 1. Пер. с англ. — М.: Мир, 1984.— 414 с.

18 Глава Рис. 4. Установленное (сплошные линии) н предполагаемое (пунктир) взаимодействие между ритмами с разными периодами (белые квадратики — млекопитающие, черные квадратики — человек).

и 19). Более интересны наблюдения, позволяющие предположить иерархическую организацию ритмов, в которой существование одних колебаний необходимо для нормального протекания других;

типичные примеры — взаимодействие циркадианной системы и астрального цикла у хомячков (гл. 25) и использование циркадианных ритмов для измерения времени в явлениях фотопериодизма (гл. 20 и 21). Вопрос о том, каким образом могут быть взаимосвязаны ультрадианные и циркадианные ритмы, все еще остается открытым. Видимая синхронность эпизодов секреции гормонов в группе обезьян навела на мысль о сопряжении между двумя системами [22], но как проведенный авторами анализ данных, так и выводы уязвимы для критики [29]. В связи с этим интересно было бы выяснить, действительно ли 90-минутный ритм, установленный для чередования быстрого и медленного сна, продолжается и во время бодрствования;

иными словами, существует ли, как полагал Клейтман [27], фундаментальный' цикл активности — покоя (basic rest-activity cycle)?

Для иллюстрации многообразия функций биологических ритмов достаточно нескольких примеров. В нервной системе некоторые рецепторы передают информацию, изменяя частоту разрядов (см. рис. 1, А);

пульсации, поддерживаемые ритмоводителями, лежат в основе работы сердца и легких;

высокочастотные ритмы могут способствовать стабилизации ритмов более низких частот (этот вопрос детально обсуждают Ашофф и Вивер [4]). Но в то время как эти сравнительно короткопериодные ритмы выполняют важные функции в самом организме, четыре циркаритма служат главным образом для согласования Биологические ритмы. В 2-х т. Т. 1. Пер. с англ. — М.: Мир, 1984.— 414 с.

_ Обзор биологических ритмов. _ функций организма с окружающей средой. Циркаритмы выработались как приспособления к «нишам во времени» [2], порожденным периодичностью среды. Включая в свою собственную организацию подобия внешних геофизических циклов, организм приобретает устройство для измерения времени, т. е.

биологические часы (см. гл. 2).

Литература 1. Aschoff J. Zeitliche Strukturen biologischer Vorgnge, Acta Leopoldina, 21, 147—177 (1959).

2. Aschoff J. Survival value of diurnal rhythms, Symposia of the Zoological Society of London, 13, 79—98 (1964).

3. Aschoff J. Adaptive cycles: Their significance for defining environmental hazards, International J. of Biometeorology, 11, 255—278 (1967).

4. Aschoff J., Wever R. Biologische Rhythmen und Regelung. In: Problme der zentralnervosen Regulation. Bad Oeyenhausener Gesprche V, Berlin — Gottingen— Heidelberg, Springer-Verlag, pp. 1—15, 1962.

5. Bruning W: Chronobiologische Untersuchungen uber die Sterbehaufigkeit von Kurpatienten im Verlauf von Bderkuren, Diss. Marburg, 1978.

6. Chiba Y., Cutkomp L. K., Halberg F. Circaseptan (7-day) oviposition rhythm and growth of spring tail, Folsomia Candida (Collembola: Isotomidae), J. of Interdisciplinary Cycle Research, 4, 59—66 (1973).

7. Daan S., Slopsetna S. Short-term rhythms in foraging behaviour of the common vole, Microtus arvalis, J. of Comparative Physiology, 127, 215—227 (1978).

8. Debry G., Bleyer R,, Reinberg A. Circadian, circannual and other rhythms in spontaneous nutrient and caloric intake of healthy four-year olds, Diabetes and Metabolism (Paris), 1, 91—99 (1975).

9. Dierschke D. J., Bhattacharya A. N.. Atkinson L. E., Knobil E. Circhoral oscillations of plasma LH levels in the ovariectomized rhesus monkey, Endocrinology, 87, 850—853 (1970).

10. Doehring C. H., Kraemer H. C., Keith H., Brodie H., Hamburg D. A. A cycle of plasma testosterone in the human male, J. of Clinical Endocrinology and Metabolism, 40, 492—500 (1975).

11. Elton C., Nicholson M. The ten-year cycle in numbers of the lynx in Canada, J.

of Animal Ecology, 11, 215—244 (1942).

12. Etnpson J. Periodicity in body temperature in man, Experlentia, 33, 342— 343 (1977).

13. Exley D., Corker C. S. The human male cycle of urinary oestrone and 17 oxosteroids, J. of Endocrinology, 35, 83—99 (1966).

14. Fitzgerald K. M., Zucker I. Circadian organization of the estrous cycle of the golden hamster, Proceedings of the National Academy of Sciences USA, 73,2923—2927 (1976).

15. Friedman S., Fischer C. On the presence of a rhythmic, diurnal, oral Instinctual drive cycle in man: A preliminary report, J. of the American Psychoanalytic Association, 15, 317—343 (1967).

16. Globus G. G., Phoebus E. C., Boyd R. Temporal organization of night worker's sleep, Aerospace Medicine, 43, 266—268 (1972).

17. Globus G. G., Phoebus E. C., Humphries J., Boyd R., Sharp R. Ultradian rhythms in human telemetered gross motor activity, Aerospace Medicine, 44, 882—887 (1973).

18. Halberg F. Physiologic 24-hour periodicity: General and procedural considerations with reference to the adrenal cycle, Zeitschriit fur Vitamin-, Hormonund Fermentforschuner. 10. 225—296 1959K Биологические ритмы. В 2-х т. Т. 1. Пер. с англ. — М.: Мир, 1984.— 414 с.

20 Глава 1 _ _ 19. Halberg F., Engeli M., Hamburger C., Hillman V. D. Spectral resolution of low-frequency, small-amplitude rhythms in excreted 17-ketosteroids;

probably androgen-induced circaseptan desynchronization, Acta Endocrinologica, 103, 1— 54 (1965).

20. Hensel H., Zotterman Y. Quantitative Beziehung zwischen der Entladung enzelner Kltefasern und der Temperatur. Acta Physiologica Scandinavica.

23,291—319(1951).

21. Hildebrandt G. Grundlagen einer angewandten medizinischen Rhythmusforschung, Heilkunst, 7, 117—136 (1958).

22. Holaday I. W., Martinez H. M., Natelson B. H. Synchronized ultradian cortison rhythms in monkeys: Persistence during corticotropin infusion, Science, 198, 56—58 (1977).

23. Jameson E. W., Heusner A. A., Arbogast /?.. Oxygen consumption of Sceloporus occidentalis from three different elevations,. Comparative Biochemical Physiology, 56A, 73—79 (1977).

24. Kalmus H. Periodizitt und Autochronie ( = Ideochronie) als zeitregelnde Eigenschaften des Organismus, Biologia Generalis, 11, 93—114 (1935).

25. Kihlstrm J. E. A sex cycle in the male, Experientia, 22, 630—632 (1966).

26. Kinder E. H. A study of the nest-building activity of the albino rat, J. of Experimental Zoology, 47, 117—161 (1927).

27.Kleitman N. Sleep and Wakefulness, Chicago, University of Chicago Press,.

1963.

28. Kripke D. F. An ultradian biologic rhythm associated with perceptual deprivation and REM sleep, Psychosomatic Medicine, 34, 221—234 (1972).

29. Kronauer R. E., Moore-Ede M. C., Menser M. S. Ultradian cortisol rhythms in monkeys: Synchronized or not synchronized? Science, 202, 1001— (1978).

30. Lame P. Ultradian rhythms in the perception of two apparent motions, Chronobiologia, 3, 214—218 (1976).

31. Lavie P. Nonstationarity in human perceptual ultradian rhythms, Chronobiologia, 4, 38—48 (1977).

32. -Lavie P., Kripke D. E. Ultradian rhythms in urine flow in waking subjects, Nature, 269, 142—143 (1977).

33. Lehtnann U. Stochastic principles in the temporal control of activity behaviour, International J. of Chronobiology, 4, 223—266 (1976).

34. Lewis. D., Kripke. D. F. Ultradian rhythms in hand-mouth behavior of the rhesus monkey, Physiology and Behavior, 18, 283—286 (1977).

35. Maxim P. E., Bowden D. M., Sackett G. P. Ultradian rhythms of solitary and social behavior in rhesus monkeys, Physiology and Behavior, 17, 337— (1976).

36. Mead M. Sur l'obtention d'un rythme d'activit de priode sept jours chez Scolopendra cingulata (Chilopodes), Revue du Comportement Animal, 4, 75— (1970).

37. Nash T. A. M., Trewen M. A. Hourly distribution on larviposition by Glossina austeni Newst and G. morsitans morsitans Westw. (Dipt., Glossinidae), Bulletin of Entomological Research, 61, 693—700 (1972).

38. Nicholson A. J. An outline of the dynamics of animal populations, Australian J.

Zoology, 2, 9—65 (1955).

39. On W. C., Hoffman H. J., Hegge F. W. Ultradian rhythms in extended performance, Aerospace Medicine, 45, 995—1000 (1974).

40. Oswald J., Meerington J., Lewis H. Cyclical «on demand» oral intake byadults, Nature, 225, 959—960 (1970).

41. Reiman H. A. Periodic Diseases, Oxford, Blackwell Scientific Publications, 1963.

42. Richter C. P. Biological Clocks in Medicine and Psychiatry, Springfield, 111, Charles С Thomas, 1965.

Биологические ритмы. В 2-х т. Т. 1. Пер. с англ. — М.: Мир, 1984.— 414 с.

Обзор биологических ритмов 43. Richter С. P. Artifactual seven-day cycles in spontaneous activity in wild rodents and squirrel monkeys, J. of Comparative and Physiological Psychology, 572—582 (1976).

44. Undt W. Wochenperioden der Arbeitsunfallhufigkeit im Vergleich mit Wochenperioden von Herzmuskelinfarkt, Selbstmord und tglicher Sterbeziffer.

In: G. Hildebrandt (d.), Biologische Rhythmen und Arbeit, Wien — New York, Springer-Verlag, 1976, pp. 73—79.

45. Vollrath L., Kantarjian A., Howe C. Mammalian pineal gland: 7-day rhythmic activity? Experientia, 31, 458—460 (1975).

46. Yen S. S. C., Vandenberg G., Tsai C. C., Parker D, C. Ultradian fluctuations of gonadotropins. In: M. Ferin, F. Halberg, R. M. Richart and R. L. Vande Wiele (eds.), Biorhythms and Human Reproduction, New York, Wiley 1974, pp. 203— 218.

Биологические ритмы. В 2-х т. Т. 1. Пер. с англ. — М.: Мир, 1984.— 414 с.

Глава 2. ЦИРКАДИАННЫЕ СИСТЕМЫ: ОБЩАЯ ПЕРСПЕКТИВА К. Питтендрих Врожденные периодические программы:

биологические часы, согласованные с циклами окружающей среды Для физической среды, в которой обитают живые организмы, характерны периодические изменения, обусловленные движением Земли и Луны относительно Солнца. Жизнь с момента своего возникновения на протяжении нескольких миллиардов лет должна была приспосабливаться к интенсивным суточным и годовым колебаниям освещенности и температуры. Приливные ритмы стали оказывать влияние на жизнь с того времени, как была заселена прибрежная полоса. На суше к суточным перепадам освещенности и температуры добавились колебания влажности и других факторов. Эти геофизические циклы постоянно бросали вызов живым организмам, что в предельном случае оборачивалось резкой враждебностью пустыни в полдень и Заполярья зимой, и естественный отбор должен был находить на, все это надлежащий ответ. С другой стороны, исключительная стабильность геофизических циклов, основанная на законах небесной механики, предоставила организмам удобную возможность: предсказуемость изменений позволяла использовать в качестве жизненной стратегии упреждающие программы. В результате у эукариотических организмов широкое распространение получили врожденные периодические программы обмена веществ и поведения. Так, например, питание ночных, грызунов приурочено к первой половине ночи;

это пищевое поведение продолжается в той же фазе, повторяясь примерно каждые 24 ч, и в условиях постоянной темноты, в отсутствие каких либо указаний на время суток. У этих животных мобилизация необходимых для пищеварения ферментов в кишечнике и последующих метаболических процессов в печени привязана программой к тому же (или чуть более раннему) времени. У растений фотосинтез, разумеется, может происходить только днем, однако эта явная периодичность — не просто вынужденное следствие внешних воздействий. Зеленые клетки при непрерывном освещении на протяжении недель сохраняют циркадианные колебания выделения кислорода, что отражает запрограммированное угнетение фотосинтеза в период клеточной «субъективной ночи» (см., например, [69, 70]).

Биологические ритмы. В 2-х т. Т. 1. Пер. с англ. — М.: Мир, 1984.— 414 с.

Циркадианные системы: общая перспектива _ Некоторые изоподы литоральной зоны (например, Excirolana [18]) питаются лишь во время прилива, а когда море отступает, они зарываются в песок;

напротив, бокоплав Orchestoidea питается только на обнаженном побережье во время отлива и прячется с возвращением воды [7, 36, 45]1. В обоих случаях отбор использовал хорошую предсказуемость приливных циклов:

приливные ритмы активности запрограммированы и сохраняются в экспериментальных условиях без колебаний уровня воды, при постоянной температуре и освещенности. У особей Orchestoidea, находящих пищу на сыром песке во время отлива, активность, кроме того, ограничена периодом ночной темноты. Здесь, таким образом, время активности задается уже двумя периодическими программами.

Насекомые приливной зоны [41], метаморфоз которых происходит в воде, вынуждены ограничить время выведения из куколок отливом, когда куколки появляются из-под воды и молодые имаго могут взлететь. В природе это происходит только в те ночи, которые совпадают с самой низкой водой (в квадратурный отлив), т. е. каждые две недели. В лаборатории при постоянных условиях время выведения опять-таки контролируется врожденной периодической программой, одна составляющая которой имеет околосуточный период, а другая — полулунный.

Предсказуемость годовых циклов предоставила естественному отбору отличную возможность запрограммировать сезонные особенности поведения, обеспечив тем самым предвосхищение наступающих перемен. Как теперь установлено, репродуктивные циклы многих млекопитающих и птиц сохраняются и в постоянных лабораторных условиях без каких-либо признаков сезона. У некоторых славок годовые программы задают целый спектр сезонных изменений, в том числе линьку, длительность миграционного беспокойства и даже изменение ориентации по небесным светилам (см. гл. 19).

Все эти программы — суточные, приливные, лунные и годовые— основаны на самоподдерживающихся, незатухающих биологических осцилляторах, период которых представляет собой закрепленное эволюцией приближение к тем циклам среды, с которыми они согласованы. Во всех исследованных случаях период таких циркаритмов (суточных, приливных и лунных) отличался удивительным свойством — температурной компенсацией: он оставался неизменным в широком диапазоне температур [46, 54, 75].

Автономность осциллятора, задающего периодическую программу, была показана на примере циркадианного ритма активности грызунов, который продолжался в постоянных условиях без затухания в течение нескольких лет. Зависимость осцил Биологические ритмы. В 2-х т. Т. 1. Пер. с англ. — М.: Мир, 1984.— 414 с.

24 Глава лятора от метаболической энергии ясно видна из того факта, что аноксия у дрозофилы вызывает его резкую остановку, а даже спустя 30 ч возвращение к аэробным условиям и восстановление дыхания приводит к быстрому возобновлению колебаний [54]. О врожденном характере (т. е. генном контроле) колебаний свидетельствуют разнообразные факты, в том числе возможность искусственного отбора по периоду [55] и изменение периода в результате химического мутагенеза [31].

«Цирка»-осцилляторы в качестве часов Колебатели1, которые задают эти периодические программы, представляют собой особую группу биологических осцилляторов, обладающих рядом свойств, связанных с их функционированием в качестве часов. Это биологические часы для измерения времени в двух разных смыслах: 1) приурочивая каждую стадию программы к наиболее благоприятной фазе средового цикла, они, по существу, распознают местное время;

2) обеспечивая достаточно стабильную последовательность событий в программе, они фактически измеряют промежутки времени.

Распознавание местного времени: захватывание колебателя Полезность программы, соответствующей каким-то циклическим изменениям окружающей среды, зависит, конечно, от поддержания нужной фазы относительно этих циклов. Эта функциональная предпосылка позволяет объяснить, почему эволюция создала программы, задаваемые именно автономными осцилляторами, а не простыми «песочными часами». Подобно всем автономным осцилляторам, колебатели, задающие суточные, приливные, лунные и годовые программы, поддаются захватыванию 2 (синхронизации) внешними периодическими процессами, достаточно близкими по частоте. Эти внешние циклы среды называют времязадателями (Zeitgeber) или принудителями 3. Для «Колебатель»— так переведен англ, термин «pacemaker» с тем, чтобы отличать ведущий циркадианный осциллятор, «маятник биологических часов», от известных физиологических ритмоводителей (пейсмейкеров), например в сердце. — Прим. перев.

Английский термин entrainment (нем. Mitnahme) иногда переводили как «затягивание». В технике существует близкое понятие «захват частоты». — Прим. перев.

Немецкий термин Zeitgeber, который перешел и в английский язык, ранее переводили как «времядатчик» (или датчик времени). В этой книге ему будут соответствовать два термина, в зависимости от контекста. Внешний периодический фактор на уровне организма в целом оказывает сигнальное действие, синхронизирует ритмы, и мы будем называть его времязадателем;

на уровне циркадианной системы он оказывает силовое действие на осцилляторы, захватывает ритмы и будет называться принудителем. — Прим. перев.

Биологические ритмы. В 2-х т. Т. 1. Пер. с англ. — М.: Мир, 1984.— 414 с.

Циркадианные системы: общая перспектива циркадианных ритмов поистине универсальным принудителем служит 24-часовой цикл чередования света и темноты (СТ). В результате захватывания циклом освещения с периодом Т период колебателя ( ) принимает значение * = Т. Так, циркадианный ритм мыши, период которого в постоянной темноте составляет 23, ч, при режиме СТ 12:12 (Т=24) приобретает период ровно 24 ч.

Кроме того, в захваченном состоянии устанавливается специфическое соотношение фаз () между колебателем и внешним циклом освещения. Именно благодаря устойчивому захватыванию колебателя СТ-циклами на него может быть возложена функция задавать периодические события, например синтез пищеварительных ферментов в период, предшествующий питанию.

Механизм песочных часов мог бы в принципе обеспечить нужное положение программы во времени, но лишь в том случае, если бы ее начало можно было ежедневно совмещать с получением какого-либо надежного сигнала извне. В этом отношении осциллятор имеет несколько преимуществ, особенно потому, что он может нормально функционировать на протяжении нескольких циклов в полной изоляции. В таких условиях свободный осциллятор сохраняет информацию о местном времени (фазе) от прошлого захваченного состояния [10]. Эта информация надежна, разумеется, лишь в том случае, если собственный период колебателя близок к Т = 24 ч. В отдельных редких случаях у тех животных, которые в природе часто бывают изолированы от времязадателей на несколько дней (например, у мясной мухи Sarcophaga [66]), свободнотекущий период в среднем действительно не отличается от 24 ч.

В большинстве случаев, однако, средний период колебателя хотя и находится «около» (отсюда «цирка...») периода Т соответствующего геофизического цикла, но не равен ему. Как это объяснить? Почему эволюция не обеспечила точного совпадения с Т? Может быть, поскольку феномен захватывания обеспечивает контроль периода =Т), естественному от бору достаточно было ограничить значения t окрестностью Т, чтобы стало возможным захватывание. Но нужно еще объяснить закономерное отклонение среднего периода колебателя от 24 ч: у дневных видов животных он, как правило, в среднем длиннее суток, а у ночных — короче суток [1, 3]. Было выдвинуто предположение [58], что неравенство среднего значения способствует стабилизации постоянной фазы программы относительно астрономического времени. Фаза любого осциллятора (по отношению к времязадателю) всегда зависит от соотношения = /Т, причем особенно чувствительна при =1,0.


Поэтому феномен циркадианности ( ) создает некоторое адаптивное преимущество для распознавания астрономического Биологические ритмы. В 2-х т. Т. 1. Пер. с англ. — М.: Мир, 1984.— 414 с.

26_ Глава 2 _ времени. Кроме того, как мы увидим позже (гл. 5), определенное направление отклонения от Т само по себе имеет приспособительное значение — оно помогает поддержанию определенной фазы программы относительно цикла освещения в разные сезоны, когда длина дня меняется. Таким образом, приблизительность соответствия собственных периодов биологических осцилляторов циклам окружающей среды представляет собой нечто большее, нежели просто допустимое отклонение от длительности этих циклов: она, несомненно, целесообразна, так как стабилизирует и таким образом повышает надежность распознавания астрономического времени.

Измерение промежутков времени: гомеостаз периода н угловой скорости колебателя Собственный период всех колебателей, выполняющих функцию часов, отличается удивительной стабильностью даже при изменении температуры и других параметров среды в широком диапазоне [46, 54, 57]. Этот общий гомеостаз, разумеется, необходим для поддержания постоянного фазового отношения между программой и циклом освещения, поскольку чувствительно к вариациям /tТ, а значит, и. Но есть еще одно столь же неоспоримое направление естественного отбора, т о ж е в е д у щ е е к г о м е о с т а з у. Д е л о в т о м, ч т о успешное задание колебателем стабильных временных рамок для программы основано на поддержании стабильной угловой скорости в каждой точке цикла. Последовательные этапы биологической программы (части цикла) должны быть распределены во времени с такой же точностью, что и события в окружающей среде. В гл. будет показано, что движение колебателя в каждый момент его цикла действительно столь же мало зависит от температуры, как и весь период. В принципе гомеостаз мог бы быть достигнут иначе, без стабилизации угловой скорости: ускорение на одном участке цикла можно было бы компенсировать замедлением где либо в другом месте. Но тогда осциллятор не мог бы измерять промежутки времени с надежностью часов [55].

Происхождение и дифференциация функции колебателя как биологических часов Циркадианные программы: от экзогенной упорядоченности к эндогенной организации Регулярные геофизические циклы (сутки, месяц, год), воздействие которых со временем привело к выработке соответствующих клеточных колебателей, вероятно, оказывали влияние Биологические ритмы. В 2-х т. Т. 1. Пер. с англ. — М.: Мир, 1984.— 414 с.

Циркадианные системы: общая перспектива_ на жизнь с самого ее возникновения. В случае суток, например, внешние циклы освещенности и температуры должны были накладывать на жизнедеятельность клеток чисто экзогенную периодичность. Более того, эта периодичность почти наверняка представляла собой нечто большее, чем просто количественное изменение во всем остальном стационарного состояния: по многим причинам котел метаболизма в разные фазы экзогенного, навязанного извне суточного цикла должен был переходить на качественно различные уровни. Это очевидно в случае фотосинтезирующих автотрофов.

Подобного эффекта можно было бы ожидать и в случае температурных циклов, хотя по иным причинам. В метаболических системах действует множество отрицательных обратных связей, причем нередко их постоянные времени измеряются часами. Все эти петли — потенциальные осцилляторы;

поэтому их колебания (даже если они затухающие) могут поддаваться захватыванию стабильными циклами внешних условий, если до них доходит воздействие этих циклов. Температурные циклы окружающей среды в этом смысле, несомненно, эффективны, так как скорость всех биохимических реакций зависит от температуры. Пойкилотермные метаболические системы, по-видимому, неизбежно вовлекались в суточный ритм чередования качественно разных состояний под давлением температурных циклов, которые выступали в роли захватывающего экзогенного колебателя (источника ритма). Такая первоначальная упорядоченность во времени отнюдь не должна была играть какую-либо приспособительную роль [47] : это было лишь проявлением неслучайной временной структуры, но еще далеко не организации. Существенной чертой этой структуры была предсказуемость периодических изменений в некоторых звеньях метаболизма, и ее историческая роль состояла в подкреплении, «вознаграждении» постепенно возникавшего согласования остальных физиологических процессов во времени, происходящего под влиянием внутреннего (эндогенного) колебателя, в соответствии с этой чисто экзогенной упорядоченностью.

Молекулярные механизмы эндогенных колебателей пока слишком мало изучены, чтобы подробно обсуждать их происхождение, но можно сказать несколько слов об их предполагаемой роли как произвольных «каркасов» для временной организации жизнедеятельности эукариотических организмов.

Очень мало вероятно, чтобы возможность репликации ДНК или митоза сама по себе зависела от суточных колебаний внешних условий. Между тем оба события находятся под контролем циркадианного колебателя (см., например, [17]). И, как отмечал еще в 1965 г. Брюс [8], время генерации эукариотических клеток в среднем близко к одним суткам. Оно на два порядка Биологические ритмы. В 2-х т. Т. 1. Пер. с англ. — М.: Мир, 1984.— 414 с.

28_ Глава 2 _ длиннее, чем у большинства прокариот. Как объяснить этот факт? Вполне возможно, что темп жизни эукариот определяется не столько их дополнительной сложностью (по сравнению с прокариотами), сколько исторически обусловленной связью с суточными циклами внешней среды как всеобщим принудителем.

Когда средовые циклы стали «колебателями» хотя бы для некоторых частей системы, естественный отбор, вероятно, должен был смещать константы скоростей других реакций так, чтобы весь клеточный цикл уместился в суточное окно захватывания. Так как многие циркадианные ритмы сами по себе лишены сколько-нибудь явного приспособительного значения, вряд ли можно игнорировать роль околосуточного колебателя как источника чисто произвольного ритма, организующего жизнедеятельность эукариот во времени [49, 50]. Может быть, именно в этом состоит значение слов Гуфеланда (1789): «24-часовая периодичность — это поистине единство нашей естественной хронологии» [27].

Период колебателя и время генерации Не известно ни одного достоверного случая возникновения биологических часов у организмов, время генерации у которых меньше геофизического цикла, соответствующего этим «часам».

Годовые ритмы наблюдаются только у тех животных (чаще всего позвоночных), которые живут дольше года. Здесь к годовому циклу внешних условий должна приспосабливаться каждая отдельная особь, а не популяция в целом, поэтому врожденная годовая программа может быть полезной. У видов с короткой продолжительностью жизни, например у тех насекомых, у которых за год сменяется несколько поколений, на сезонные явления должна реагировать популяция, а для отдельной особи такая реакция необязательна. Точно так же лунные ритмы не встречаются у организмов, время генерации которых меньше месяца.

Циркадианные колебатели известны лишь в тех клетках, у которых время генерации обычно превышает 24 ч.

Такое ограничение периода биологических часов временем жизни особи вполне понятно, если фаза часов не может быть передана через недифференцированную цитоплазму. Это, очевидно, справедливо для животных, у которых роль колебателя выполняют высокоспециализированные клетки центральной нервной системы, такие, как супрахиазменные ядра у позвоночных, глаза у моллюска Aplysia или мозг у насекомых. У бабочки Pectinophora циркадианные часы созревают лишь где-то в середине 12-дневного эмбрионального развития;

в самих яйцах и ранних зародышах нет колебателя, который мог бы передавать фазу [37].

Биологические ритмы. В 2-х т. Т. 1. Пер. с англ. — М.: Мир, 1984.— 414 с.

Циркадианные системы: общая перспектива_ Совсем иначе обстоит дело у одноклеточных эукариот. Здесь фаза циркадианных колебателен (в том числе влияющих на само деление) может передаваться от одной генерации клеток к другой (см., [17]).

например, Предположение о том, что «недифференцированная» эукариотическая цитоплазма достаточна для поддержания активности колебателя, получило прямое подтверждение в экспериментах, где части клеток Acetabularia, лишенные ядра, сохраняли циркадианные ритмы фотосинтеза до 30 суток [70]. В связи с этим напрашивается мысль, что видимое отсутствие циркадианных колебателей у прокариот не обусловлено просто малым временем генерации;

если бы цитоплазма прокариотической клетки в принципе могла поддерживать циркадианные колебания, то эти колебания передавались бы при ее делении так же, как у эукариот. Другое, весьма привлекательное объяснение отсутствия циркадианных колебателей у прокариот состоит в том, что для работы часов необходима сложная организация клетки, свойственная эукариотам;

пока этот вопрос остается неясным (см. [22]).

«Оппортунистическая» эволюция: дифференциация функций колебателя Циркадианные колебания, несомненно, обязаны своим возникновением тому преимуществу, которое дают эндогенные программы при неизбежных экзогенных суточных изменениях в жизни клеток, которые живут, как правило, дольше 24 часов.

Обеспечение периодических программ было исторически первичной и до сих пор остается главной и наиболее распространенной функцией циркадианных колебателей. Это, однако, не единственная их функция. Естественный отбор со свойственным ему «оппортунизмом» использовал возможности температурно компенсированных циркадианных колебателей и для выполнения других функций, связанных с измерением времени. Две из них— память на время и ориентация по солнечному компасу — встречаются только у животных;


для их осуществления нужна достаточно развитая нервная система. Третья функция — (измерение фотопериодическая реакция длины дня)— распространена гораздо шире, но исторически явно вторична по отношению к исходной функции колебателя, т. е. «простому»

суточному программированию.

Память на время (Zeitgedchtnis). Полвека назад И. Белинг [6] показала, что медоносные пчелы, найдя источник пищи, скажем, в часа дня, на следующий день вновь прилетают к тому же месту точно в то же самое время. В некотором смысле они «запоминают»

время благодаря памяти, фиксирующей события на строго суточной шкале, период которой, как позднее пока Биологические ритмы. В 2-х т. Т. 1. Пер. с англ. — М.: Мир, 1984.— 414 с.

30 _ Глава 2 _ зал Валь [84], не зависит от температуры в довольно широком (физиологическом) диапазоне. Память на время у пчел основана на типичном температурно-компенсированном циркадианном колебателе, который в данном случае используется не просто для программирования, а обеспечивает «заучивание» нужного времени дня, которое может не раз меняться на протяжении жизни особи.

Явление памяти на время в том смысле, как его понимала Белинг, возможно, гораздо больше распространено в природе, чем это известно из литературы. По существу то же явление было обнаружено у позвоночных. Ряд исследователей (см., например, [73]) показал, что если крыс, которые обычно едят в начале ночи, кормить только утром, то упреждающий подъем активности ферментов в тонком кишечнике смещается с вечера на раннее утро и сохраняет затем новую «заученную» «фазу на протяжении нескольких циклов после предоставления животному свободного доступа к пище. Пока не ясно, насколько широко используются циркадианные колебатели в программах, вырабатывающихся путем научения, по сравнению с врожденными.

Ориентация по солнечному компасу. Огромное множество животных (позвоночных и членистоногих) способно сохранять неизменное направление движения в пространстве, используя в качестве компаса азимут Солнца (см. гл. 14), несмотря на то что этот ориентир непрерывно перемещается. Как давно уже показал в своих классических экспериментах К. Хофман [23], компенсация времени, необходимая для такого поведения, основана на функции циркадианного колебателя. Птиц, обученных лететь в определенном направлении в поисках пищи, изолировали от обычных суточных времязадателей и содержали до 12 дней при постоянном освещении. На протяжении этого времени регистрировали ритмы активности птиц, и их период оказался циркадианным ( 23,5 ч). После изоляции накопленный сдвиг фазы вызывал соответствующую ошибку в ориентации птиц, пытавшихся искать пищу в прежнем направлении. Тот же циркадианный осциллятор (с тем же ), который задает ритм активности и покоя, может обеспечивать точное измерение малых отрезков времени, необходимое для компенсации смещения Солнца.

Фотопериодическая реакция (измерение длины дня). Наиболее обычная стратегия приспособления к годовому циклу среды— более распространенная, чем сами цирканнуальные (годовые) часы,— предполагает использование длины дня (фотопериода) в качестве надежного признака сезона (см. гл. 20 и 21). Каждая из многообразных защитных стратегий (зимняя спячка, эстивация, покой, диапауза) у животных и растений «включается» при определенной длине дня за несколько недель до ожи Биологические ритмы. В 2-х т. Т. 1. Пер. с англ. — М.: Мир, 1984.— 414 с.

Циркадианные системы: общая перспектива_ даемого наступления неблагоприятного сезона. И опять-таки определенная длина дня вызывает начало половой активности незадолго до периода, подходящего для размножения. Неизменное обращение естественного отбора именно к длине дня как признаку сезона, несомненно, отчасти объясняется высокой надежностью этого сигнала, практически свободного от помех, Но есть и другая сторона проблемы. Во многих случаях организмы распознают различие длин дня, измеряемое чуть ли не минутами: здесь они так же, как при ориентации по солнечному компасу, определяют короткие промежутки времени — кусочки суточного цикла. И опять таки измерение времени почти всегда основано на циркадианных колебаниях. Существование этой особой функции колебателя твердо установлено сейчас не только у растений, но также у многих насекомых, птиц и млекопитающих.

Эта функция была предсказана много лет назад в теперь уже классической работе Э. Бюннинга [9]. Вопрос о том, каким образом циркадианные системы эукариот измеряют длину дня, остается важнейшей и до сих пор не решенной проблемой циркадианной физиологии. Мы вернемся к ней позже.

Колебатель и программа Одноклеточные системы Одноклеточная водоросль Gonyaulax polyedra (Dinoflagellata) обладает циркадианной программой, определяющей часы суток, когда может происходить фотосинтез, спонтанное свечение, вызванная люминесценция и клеточное деление (см., например, [21, 74]). Эти четыре «события» расположены в разных местах программы, которая поддерживается до тех пор, пока популяция клеток остается здоровой (рис. 1). Колебатель, ведущий программу, как обычно, поддается захватыванию циклами освещения. Отдельный световой импульс (скажем, длительностью ч) вызывает резкое смещение фазы свободнотекущего ритма.

Величина и направление (опережение или задержка) смещения фазы, вызванного световым импульсом, зависят от того, на какую фазу программы пришлось воздействие. Кривая, описывающая зависимость смещения фазы () от фазы воздействия (), называется кривой смещения фазы. Эта кривая удобна для того, чтобы следить за движением колебателя. Световой импульс, вызывающий задержку фазы ритма фотосинтеза (скажем, на 2 ч), приводит одновременно к такой же задержке фаз трех остальных ритмов. Колебатель свечения, вызванной люминесценции и митозов, несомненно, отличен от механизма фотосинтеза (не является его частью), поскольку препарат N1 -(дихлорфенил)-N3 диметилмочевина подавляет Биологические ритмы. В 2-х т. Т. 1. Пер. с англ. — М.: Мир, 1984.— 414 с.

32_ Глава Рис. 1. У одноклеточной водоросли Gonyaulax polyedra четыре различных цнркадианных ритма дают одну и ту же кривую смещения фазы;

вероятно, все они задаются одним общим колебателем. (Из [55], по данным Hastings, Sweeney и др.) ритм фотосинтеза, но не затрагивает ритмов трех других функций [21]. Однако дело обстоит так, как если бы один единственный колебатель в клетке задавал все четыре ритма, хотя максимумы их приходятся на разные фазы цикла.

Здесь можно поставить четыре важных вопроса:

1) Каков молекулярный механизм работы колебателя?

2) Является ли колебатель в такой же мере обособленным физически, как он выделен теоретически?

3) Каким образом циркадианный колебатель сопряжен с захватывающими принудителями окружающей среды (световым и температурным циклами), которые приурочивают его ритм (и тем самым — управляемую им программу) к астрономическому времени?

4) Каким образом колебатель осуществляет контроль над ведомыми клеточными событиями?

Что касается молекулярного механизма, то все большее число данных говорит о том, что замедление синтеза белка на 80S рибосомах (в цитозоле) растягивает период колебателя. По другим, уже не столь обширным данным факторы, изменяющие свойства мембран, тоже влияют на период колебателя. Такое же действие оказывает тяжелая вода. Но ни одно из этих подтверждений эндогенной природы колебателя не дает ясных указаний на его молекулярный механизм: вряд ли что-нибудь в клетке не зависит от состояния мембран или нечувствительно к резким изменениям скорости белкового синтеза (см. [22]).

Местонахождение колебателя в многоклеточных системах Поставленные выше вопросы возникают и при анализе многоклеточных циркадианных систем. Главный из них — вопрос о молекулярном механизме ведущего осциллятора, — разумеется, столь же далек от решения, как и прежде, но три остальных вопроса несколько прояснились. Причина этого проста: большие размеры многоклеточных организмов позволяют исследовать локализацию колебателя обычными хирургическими и электро Биологические ритмы. В 2-х т. Т. 1. Пер. с англ. — М.: Мир, 1984.— 414 с.

Циркадианные системы: общая перспектива_ физиологическими методами. Возможно ли физически локализовать ведущий осциллятор? И если да, то как он сопряжен с внешними принудителями, во-первых, и с ведомой периодической программой жизнедеятельности всего организма, во-вторых?

Если у таракана хирургически изолировать обе зрительные доли от остального мозга, насекомое утрачивает циркадианный ритм подвижности. Но если хотя бы одна из долей остается связанной со средним отделом мозга, ритмичность сохраняется [42].

Электролитическое разрушение нескольких клеток около проксимального нейропиля зрительных долей приводит к потере ритмичности [43, 71]. Аналогичным образом удаление эпифиза у воробья [19], а также разрушение супрахиазменных ядер у крыс и хомячков [38, 72] вызывает циркадианную аритмию.

Самое простое объяснение этих фактов состоит в том, что в результате хирургического вмешательства был разрушен либо сам колебатель, либо проводящий путь от него к остальной системе. Это, разумеется, не единственное из возможных объяснений, но в его пользу имеются и другие, более убедительные данные. У таракана фазу колебателя можно сдвинуть, воздействуя на животное в целом температурными импульсами. Как показал Пейдж [45], тот же эффект можно получить, прикладывая температурные импульсы в микроскопически малой области, но только вблизи того места, где методом разрушения был обнаружен колебатель [45]. У крыс циркадианные ритмы мультинейронной активности наблюдаются не только в супрахиазменных ядрах, но и во многих других участках головного мозга [28]. Однако полная хирургическая изоляция этих ядер по методу Халаса — Найфа приводит к исчезновению циркадианной периодичности во всем мозгу, хотя и не затрагивает ритмов самих ядер. Очевидно, супрахиазменные ядра содержат автономный осциллятор, а ритмы других отделов зависимы от него.

Пожалуй, самые убедительные данные о локализации колебателя получены в опытах in vitro и с пересадками тканей.

Трумен [78] показал, что у бабочек-сатурний циркадианный ритм выхода имаго исчезает после обезглавливания куколок, но восстанавливается, если пересадить куколкам мозг в гемоцель брюшка. При этом время последующего выведения бабочки определяется фазой донорского колебателя в пересаженном мозгу. Циммерман и Менакер [86] получили аналогичный результат у воробьев. Как уже отмечалось, удаление эпифиза вызывает У воробья потерю циркадианного ритма подвижности.

Если ему после этого пересадить в переднюю камеру глаза эпифиз от другой птицы, то ритмичность тотчас же восстановится, причем фаза ритма донора будет передана реципиенту. На суще Биологические ритмы. В 2-х т. Т. 1. Пер. с англ. — М.: Мир, 1984.— 414 с.

34 Глава ствование автономного колебателя в эпифизе указывают также его способность поддерживать ритм секреции мелатонина in vitro [77] и сохранение циркадианных ритмов активности ацетилсеротонин-метилтрансферазы в культуре клеток этого органа [16]. Наконец, глаза моллюска Aplysia даже в культуре in vitro сохраняют исключительно стабильный и хорошо выраженный циркадианный ритм частоты электрических разрядов [29].

Ясно, что ни одно из этих наблюдений, доказывающих физическую обособленность колебателя, не означает, что он свободен от обратных влияний со стороны остальных — ведомых — звеньев системы. У позвоночных свободнотекущий период колебателя в некоторой мере зависит от уровня тестостерона [14, 20], мелатонина [80] и эстрадиола [39] в крови. Удаление эпифиза у мышей изменяет подверженность колебателя эффектам последействия·.

Однако это лишь небольшие оговорки к тому важному выводу, что в многоклеточных системах колебательная активность может быть локализована в анатомически обособленных участках.

Автономность (самодостаточность) отдельного органа в качестве циркадианного колебателя можно считать установленной в том случае, если он поддерживает ритмичность, будучи изолирован в культуре in vitro, или когда его трансплантация ведет к передаче фазы реципиенту.

Локализация колебателя и проводящие пути Суточные циклы температуры среды служат эффективными принудителями для циркадианных колебателей, особенно у пойкилотермных и гетеротермных животных (см., например, [24, 33]). До сих пор нет указаний на то, что нужны специализированные терморецепторы;

изменения температуры влияют на весь организм, поэтому здесь нет ограничений на локализацию колебателя. Однако это не всегда справедливо в отношении света. В двух из пяти хорошо изученных случаев локализации (эпифиз воробья и глаз Aplysia) колебатель находится в самом органе, воспринимающем свет, возможно в самих рецепторных клетках. В двух других случаях — у сверчков [34] и тараканов [42] — он лежит в зрительных долях, вблизи сложного глаза. У млекопитающих колебатель расположен около зрительной хиазмы, где к нему подходят нервные волокна, идущие непосредственно от сетчатки [38].

Однако во многих случаях циркадианное захватывание циклами освещения может происходить без участия фоторецепторов.

Колебатели у Drosophila и бабочки Pectinophora поддаются фазовому контролю светом на ранних стадиях онтогенеза, задолго до дифференцировки каких-либо фоторецепторов на ор Биологические ритмы. В 2-х т. Т. 1. Пер. с англ. — М.: Мир, 1984.— 414 с.

Циркадианные системы: общая перспектива_ ганном уровне. У бабочки-сатурнии колебатель в мозгу, пересаженном в полость тела, реагирует на свет непосредственно.

У воробьев и ящериц свет может воздействовать минуя глаз и эпифиз. Трумен [79] отметил, что у насекомых внеглазные пути существуют лишь в тех группах, где имеется, метаморфоз;

возможно, такие пути возникают в ходе эволюции лишь при особой необходимости. Однако это соображение не объясняет их существования у позвоночных. У птиц, рептилий и амфибий при наличии глаз есть и иные, не связанные с глазом пути для света как циркадианного времязадателя — и это несмотря на то, что глаза у птиц и ящериц вполне способны опосредовать захватывающее действие света. Известные ныне факты слишком малочисленны и слишком сложны, чтобы можно было делать обобщения, но из примеров с воробьями и ящерицами очевидно, что в циркадианной системе для света существует несколько (у воробья не меньше трех) входных путей, которые могут опосредовать разные эффекты. Интактная ящерица Lacerta sicula подчиняется правилу Ашоффа: ее свободнотекущий период при постоянном освещении сокращается. Ослепленные животные все еще поддаются захватыванию через внеглазные пути, но свободнотекущий период у них уже не зависит от освещенности [83].

Не исключено, что многообразие проводящих путей имеет отношение к множественности колебателей циркадианной системы.

Взаимное сопряжение нескольких колебателей В ряде случаев уже показано, что многоклеточные системы могут содержать несколько автономных колебателей. У тараканов циркадианные осцилляторы находятся и в левой, и в правой зрительной доле. Каждый из них достаточен для того, чтобы задавать ритмичность. В норме они взаимно сопряжены и поддерживают синхронность [43;

44]. У моллюска Aplysia оба глаза являются автономными колебателями, в лучшем случае лишь слабо сопряженными [26];

синхронность их в природных условиях зависит главным образом от воздействия одного общего времязадателя (принудителя). У жука Blaps gigas оба глаза тоже автономны и притом совершенно не сопряжены: в естественных условиях их синхронность всецело определяется общим принудителем [30]. Двусторонняя избыточность колебателей, вероятно, является правилом. Обеспечение синхронности частично зависит от экологии животного: тесное взаимное сопряжение у тараканов (в отличие от пустынных жуков) может быть следствием того, что они иногда подолгу бывают изолированы от внешних времязадателей.

Множественность колебателей, задающих ритмы подвижности животных, подтверждается целым рядом явлений «расщеп Биологические ритмы. В 2-х т. Т. 1. Пер. с англ. — М.: Мир, 1984.— 414 с.

36 Глава 2 _ Рис. 2. Реакция циркадианных ритмов активности на постоянное освещение у хомячков Mesocriceius auratus [54]. У двух животных (слева и в середине) произошло расщепление ритма на две составляющие — «утреннюю» (У) и «вечернюю» (В), которые продолжали свободный бег, пока не достигли исходного устойчивого состояния (в середине) или нового, в противофазе (слева). Третье животное (справа) стало полностью аритмичным. По прошествии более чем 100 циклов из случайного распределения активности началась «кристаллизация» нового ритма.

ления» ритмов у многих позвоночных. Хомячки (рис. 2) в постоянной темноте на протяжении каждого циркадианного цикла проявляют один, хотя и двувершинный, интервал активности. Так же обстоит дело у тупайи. Если хомячков перевести на постоянный свет [52, 54, 59] или тупайю — в постоянную темноту [25], произойдет расщепление этого единственного интервала подвижности на две составляющие, которые будут расходиться вследствие разницы в периоде до тех пор, пока не произойдет взаимное захватывание и не установится новый, уже другой общий период;

при этом они окажутся в противофазе — будут Биологические ритмы. В 2-х т. Т. 1. Пер. с англ. — М.: Мир, 1984.— 414 с.

_ Циркадианные системы: общая перспектива _ 37^ сдвинуты относительно друг друга на 180°. Первоначальное объяснение этого на основе гипотезы о двух взаимно сопряженных осцилляторах [54] теперь получило математическое подкрепление;

действительно, система из двух колебателей, сопряженных непрерывным (Kawato, Suzuki, 1979, личное сообщение) или дискретным образом [11], имеет два устойчивых состояния: в одном их фазы почти совпадают (0°), а в другом колебатели находятся в противофазе (180°). Особый случай расщепления описал Андервуд у ящериц [82]: разделение суточного интервала активности на две составляющие вызывается у них сочетанием постоянного света с удалением эпифиза. Обе составляющие расходятся с разными периодами и, в отличие от случая с хомячками и тупайей, продолжают совершенно независимый свободный бег на протяжении нескольких недель, совершенно не поддаваясь взаимному захватыванию ни в одном из возможных состояний (ни при 0°, ни при 180°). Очевидно, что эти составляющие зависят от разных осцилляторов.

Не исключено, хотя и мало вероятно, что два колебателя, создающие эффект расщепления, представляют собой просто двусторонне-избыточную пару. В случае ящерицы они не были бы чисто избыточными, поскольку их свободнотекущие периоды различны. Однако более вероятно, что один колебательный участок (например, супрахиазменное ядро) состоит из множества клеток, синхронность которых, объединяющая их в одно функциональное целое, обеспечивается путем взаимного захватывания. Эта гипотеза проще всего объясняет такие явления, как на рис. 2 справа, когда полная аритмия, вызванная постоянным освещением, постепенно переходит в четкий ритм, который возникает путем «кристаллизации» прежде случайно распределенной активности.

Все происходит так, как будто в популяции клеточных осцилляторов со случайно распределенными фазами постепенно происходит взаимное захватывание, пока в конце концов синхронная система не начинает задавать единый ритм активности животного [54].

Данные Ашоффа [2] о циркадианной системе человека свидетельствуют о множественности колебателей, но совсем в другом смысле. Здесь совершенно разные функции (активность — покой и температура тела) задаются различными колебателями.



Pages:   || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 13 |
 





 
© 2013 www.libed.ru - «Бесплатная библиотека научно-практических конференций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.