Кристали часу
Припущення про те, що ссавцем властивi внутрiшнiй годинник, якi щоднясинхронiзуються добовим циклом, виникло з експериментiв Мейнарда
Джонсона в Гарвардi незадовго до другоï свiтовоï вiйни, але
про нього незабаром забули. Лише в 50-х роках Френк Браун з Пiвнiчно-
захiдного унiверситету й Колин Питтендрих iз Принстона вiдродили
концепцiï годин i захоплювання (синхронiзацiï). Iдея
використовувати щоденний стимул для пiдстроювання фази циркадианних
годин народилася в дисертацiï Кеннета Роусона в 1956 роцi. Ця
здатнiсть пiдбудовувати фазу по сигналi часу — найважливiша умова
корисностi будь-яких циркадианних ритмiв. Роусон у своïх досвiдах
використовував ссавцiв, хоча вони виявилися не кращими об'єктами
для дослiдження пiдстроювання фази . I незабаром бiологи освоïли
для цього iншi органiзми, часом екзотичнi, але кожний з яких давав
дослiдниковi новi можливостi
В експериментах на одноклiтиннiй водоростi Conyaulax було отримано одне
з перших, хоча дотепер невизнаних, свiдчень парного пiдстроювання.
Одночасно або трохи ранiше аналогiчнi данi були отриманi на звичайнiй
плодовiй мушцi Drosophila pseudoobscura у лабораторiях Впринстоне.
З початку ХХ столiття плодовi мушки стали самим докладно дослiджуваним
багатоклiтинним органiзмом на планетi. У цей час складений величезний
каталог ïï мутантiв — незамiнний iнструмент у руках
дослiдника. Такий iнструмент зовсiм необхiдний: усякий критичний
експеримент має потребу в ретельному контролi, без якого
експеримент навряд чи буде однозначним. Доти поки бiолог-експериментатор
не порушить питання абсолютно точно, Природа буде вiдповiдати ухильно.
Використання генетичних маркерiв дозволяє створити надзвичайно
однорiдну популяцiю дослiджуваних органiзмiв. Вивчаючи мутантiв з
рiзними порушеннями зору, проводячи штучний вiдбiр лiнiй мух зi змiненим
перiодом годин або незвичайною чутливiстю до температури, бiологи вже
просунулися так далеко, що видiлили, клонували й картировали гени, що
контролюють розвиток циркадианних годинника
Зачаття плодовоï мушки вiдбувається звичайним шляхом.
Заплiднене яйце розвивається, i з нього лупиться малюсiнька
личинка. Потiм у життєвому циклi всякоï мухи наступає
стадiя, коли личинка повинна перетворитися в статевозрiлу крилату
особину. На час цього перетворення комаха вкривається в товстiй
коричневiй капсулi — це заковане в панцир iстота називається
лялечкою. Усерединi оболонки кожноï лялечки майже всi личиночние
органи розчиняються й утворять рiдку масу, з якоï заново
будується тiло дорослоï особини. Тiльки мозок
залишається незмiнним, i в ньому продовжують цокати циркадианние
годинники. Нарештi, приходить строк, коли самка повинна вибратися на
волю, випробувати своï крила й пiдшукати собi партнера. Самка
роздмухує на головi маленький пухирець i виштовхує кришку-
люк — вихiд з оболонки. Через кiлька хвилин вона на волi. У
природних умовах, а також у лабораторiï при чергуваннi 12 годин
свiтла 12 годин темряви ця подiя — вилупление дорослоï
особини — вiдбувається в першi свiтлi годинники
Момент вилупления задають циркадианние годинники. Лялечка з кожним днем
усе бiльше дозрiває, готуючись до моменту, коли вона вийде на
свiтло й вступить у конкурентну боротьбу. Ця готовнiсть, що
наростає день у день, залежить також ще одного фактора —
часу доби кращого для вилупления. Мушцi нема рацiï з'являтися, коли
день уже скiнчився або пiдставляти своє нiжне вологе тiльце спецi
дня. Доцiльнiше всього з'явитися рано поутру. Це можна забезпечити
внутрiшнiй ритм — пiдвищуючи або знижуючи порiг готовностi Якщо
змiни порога не великi, мушки однаково будуть лупитися в будь-який час
циркадианного циклу, але в один час iз бiльшою ймовiрнiстю, чим в iнше.
Якщо ж порiг змiнюється в широких межах, якщо в деякi годинники
вiн пiднiмається швидше, нiж наростає готовнiсть, то в цi
годинники не з'явиться жодна мушка. Залежно вiд вiку лялечки, що
зрiє, вона приєднується до тоï або iншоï
купки що лупляться, але нiколи не почне вилупление в промiжнi годинники.
Появи мушок будуть розподiленi в часi дискретними пачками — це
розподiл вiдбиває роботу годин, що задають ритм змiни порога
В ембрiонiв плодовоï мушки циркадианние годинник не включаються
самi собою автоматично. Якщо з моменту зачаття мушки перебувають у
постiйнiй темрявi, момент вилупления визначається вiком i зовсiм
не залежить вiд часу доби. Якщо популяцiя складається з особин
рiзного вiку (у межах декiлькох днiв), то моменти окремих вилуплений
утворять плавний розподiл, що охоплює кiлька днiв, без ознак
щоденного згущення й розрiдження. Але якщо на етапi раннього розвитку
буде поданий який-небудь сигнал часу, то через кiлька днiв вилупление
буде вiдбуватися купчасто, роздiльними пiками, що вiдстоять друг вiд
друга на 24 години. Одиночний спалах свiтла, наприклад, запускає
годинники у всiх ембрiонiв. Ïх 24-годинний перiод —
уроджений, генетично запрограмований. Але в мутантiв цей перiод може
становити, наприклад, 19 годинника
За таких умов змiсту стан внутрiшнiх годин чуйно реагує нанайменшi варiацiï температури, на саму незначну засветку. Якщо
личинки мiстити при постiйному висвiтленнi, то воно зупинить хiд годин,
навiть якщо вони були пущенi. Виявляється, годинники дрозофили не
зауважують червоного й жовтого, — але голубой, навiть такий
слабкий, як мiсячне свiтло, вiдразу придушує циркадианние
коливання. У лабораторiях для цього використовують яскравi лампи денного
свiтла. Якщо лялечок, вирощених на свiтлi, перенести в червону або жовту
темряву, всi годинники разом, одночасно вiдновлять хiд i будуть цокати
синхронно. Приблизно через 17 годин наступить пiк масового вилупления,
потiм ще через 24 i так далi, поки не дозрiють наймолодшi лялечки. Однак
навiть короткочасний спалах свiтла, що прорiзає вiчну нiч, здатна
зрушити всi наступнi пiки вилупления — начебто свiтло
викликає пiдстроювання внутрiшнiх годин, перекладаючи ïх з
якоïсь староï фази, на яку довiвся спалах, у якусь нову. Цю
нову фазу легко оцiнити, екстраполюючи наступний ритм виступiв назад, до
моменту початку спалаху свiтла
В експериментах iз дрозофiлою пiдстроювання фази викликають на раннiй
стадiï розвитку в лялечок. Спецiальний апарат, здатний протягом
декiлькох тижнiв реєструвати поява мушок, дозволяє
спостерiгати моменти. Коли циркадианние годинник виявляються в нульовiй
фазi (вилупление), а отже, обчислювати фазу в будь-який час, оскiльки
перiод годин становить 24 години. Таким чином, можна встановити, на
скiльки, наприклад, зрушилася фаза годин пiд впливом свiтлового
iмпульсу, прикладеного за кiлька днiв до моменту вилупления.
При перших пошуках сигуляции бiологiчних годин в експериментах,
органiзованих за схемою пастки сингулярности, було використано бiльше
500 чашок Петри — застосовувався вплив свiтлом рiзноï
тривалостi й у рiзний час. Постiйно реєструвався час виступленья,
а по ньому оцiнювалася нова, пiдбудована, фаза провiдного циркадианного
ритму. У всiх чашках спостерiгалося по кiлька пiкових мушок —
щодня по одному, у те саме час за показниками внутрiшнiх годин. Перший
пiк склали самi старшi в групi особини. Ïхнiм молодшим сестрам
знадобилося ще кiлька днiв, щоб завершити дозрiвання й пiдготуватися до
виходу на свiтло, що вiдбувся по такому ж сигналi того ж самого
циркадианного ритму
Коли всi отриманi пiки вилупления — бiля полтура тисяч —
були зображенi у виглядi крапок на кристалi часу, вийшов повнiстю
закiнчений трьох мiрний графiк залежностi новоï фази вiд величени
стимулу й староï фази
Що це за поверхню, на якiй лежать експериментальнi крапки? Найближчi до
нас зображенi у виглядi великих шестигранникiв, самi вилученi — у
виглядi малюсiньких. Червона лiнiя вiдзначає границю поверхнi
усерединi двох сусiднiх одиничних осередкiв. Простежимо за дiагоналлю
нова фаза = стара фаза знизу нагору на найближчiй до нас площини, при
стимулi нульовоï тривалостi для усе бiльше староï фази. Це
непарний тип пiдстроювання. Дiйдемо до рефрактерной фази, коли годинник
несприйнятливi до будь-якоï кiлькостi свiтла. Якщо в цiй крапцi
згорнутися з дiагоналi в глиб, то в мiру збiльшення стимулу аж до
максимуму експериментальнi крапки будуть зустрiчатися на колишнiй
висотi. (Iснування такоï крапки рефрактерности — нечутливостi
— не є логiчною необхiднiстю, i в iнших випадках
ïï може не бути. Втiм, сталiсть новоï фази на бiчних
стiнках, стiнках кристала часу не грає ролi в наших мiркуваннях.)
Далi, при максимальнiй величинi стимулу на заднiй стiнцi кристала,
рухаючись праворуч лiворуч на один цикл староï фази, видно, що
крапки пiднiмаються й опускаються навколо горизонталi. Хвиляста поверхня
парний тип пiдстроювання. Тут, на один цикл ранiше тоï крапки, вiд
якоï ми згорнули вглиб, ми виявимося в тоï ж самiй нечутливiй
фазi. Тепер будемо зменшувати величину стимулу при постiйнiй старiй
фазi: на цьому шляху повернення iз глубинни кристала нова фаза,
залишається не зрадою. Так ми повернулися в крапку, що лежить на
один цикл вище крапки старту. При цьому ми обiйшли одну повну одиницю
осередок кристала часу зробивши сходження по одному витку спирали. Хмара
експериментальних крапок визначило гвинтову поверхню
Це досить примiтно. Обходячи одиничний осередок, ми спостерiгали тiльки
результат експериментiв, у яких вплив не дає нiякого ефекту, плюс
серiя досвiдiв з такими сильними стимулами, що результат пiдстроювання
ритму щораз виявлявся практично однаковим. Важко повiрити, що настiльки
поверхневе дослiдження поводження годин, настiльки блiдi результати
можуть таïти в собi насiння чогось незвичайного. Однак бiологiчнi
годинники, як помiтив один раз Г. К. Честертон по iншому приводi,
здаються математично правильними, ледве бiльше точними, чим вони є
насправдi. Ïхня точнiсть очевидна, а неточнiсть схована. Ïхня
безладнiсть очiкує в засiдцi. Неминучий висновок (властиво, заради
нього були затiянi експерименти) полягає в тому, що спiральна
границя належить гвинтовiй поверхнi, а гвинтова поверхня повинна
втримуватися десь усерединi себе, удалинi вiд стимулiв, що дають гладку
прикордонну лiнiю, якусь особливу вiсь. Вiсь цiєï
гвинтовоï поверхнi — вертикальна лiнiя, уздовж якого висота
поверхнi стає не певною. На горизонтальному пiдлозi кристала ця
вiсь має проекцiю — особливу крапку, унiкальний стимул,
якесь сполучення моменту й тривалостi впливу свiтлом. Що ж вiдбудеться
при дiя такого стимулу?
Насамперед, що це за стимул? Якщо яскравiсть блакитного свiтла така, що
при ньому ледь можна читати, то тривалiсть експозицiï — бiля
мiнути. Свiтло треба дати бiля напiвночi у звичайному добовому циклi,
тобто тодi, коли в природi свiтла дуже мало. Дика дрозофiла в цю годину
може побачити лише мiсячне свiтло: повна експозицiя протягом декiлькох
мiнут могло б скласти сингулярний стимул, але для маленькiй лялечцi,
схованоï пiд листами або заритоï в пiсок, шанси такий засветки
малi. Навiть якби це трапилося саме в уразливе фазi, денне свiтло
повнiстю перекрило ефект сингулярного стимулу Однак в XX столiттi
подiбнi лабораторнi органiзми часом попадають у незвичайнi умови,
неможливi в природi. Ïх циркадианние годинники, iзольованi е вiд
зовнiшнiх сигналiв часу, вiддаються вiльному бiгу — при цьому вони
доступнi й вiдкритi дiï дослiджуваних стимулiв i наше цiкавому
погляду. Що буде iз чашечкой лялечок пiсля впливу сингулярного стимулу?
Виявляється, наступне циркадианное поводження стає
невизначеним цiлком природно, як i пророкує гвинтова поверхня
пiдстроювання фази. Однак iмовiрнi взаємно, що виключають
способiв, реалiзацiï такоï невизначеностi. Може бути, лялечки
загинуть, не доживши до ïх вилупления? Або вони по колишньому
будуть лупитися у виглядi добових пiкiв, але положення цих пiкiв у часi
будуть не передбачуваним? Насправдi нi те нi iнше. Просто вилупление
вiдбувається безупинно. Починаючи з моменту сингулярного стимулу
доти, поки який-небудь iнший сигнал не дасть спочиваючим лялечкам крапку
для вiдсiкання часу, вони залишаються як би поза часом, начебто чекають
поштовху, який би пiдштовхнув, запустив ïхнi вартi годинники. I у
випадку, коли годинники жодного разу не одержували стимулу iз самого
моменту зачаття, i у випадку, якщо такий стимул ранiше забезпечив
ритмiчнiсть, а потiм iнший, сингулярний, знову призупинив ïï,
— картина одна: у кожноï дрозофили циркадианние годинники не
йдуть. У такому стан окремi особини виходять iз метаморфози в будь-яку
годину доби, зовсiм не ритмiчно.
Бiльше того, якщо за тим вiдновиться циркадианний режим вилупление
другим iмпульсом свiтла, те нова фаза зовсiм не буде залежати вiд часу
подачi цього другого стимулу: щораз буде та сама фаза, начебто мiж двома
стимулами не пройшло нiякого часу, тобто якби перший стимул по величинi
рiвнявся сумi двох. Одержавши першу дозу, циркадианная система лялечцi
вiдразу завмирає й далi продовжує нудьгувати в очiкування
нове порцiï свiтла
Таким чином, отримана в досвiдi поверхня пiдстроювання фази схожа на
чудесну снiжну гору з нескiнченним спуском-серпанитинном, по якому
хочеться мчатися на лижах, роблячи гiлок за витком по спiралi навколо
сингулярности.
Топографiчна карта фаз не тiльки показує точне мiсце розташування
сингулярности, ïï щоденне повторення, але, крiм того, ще й
видiляє не передбачений стиск, зсув всiєï картини
долiлиць (при рух лiворуч на право, тобто убiк малих величин стимулу).
Це означає, що пiзнiше, пiсля переходу з постiйного свiтла в
темряву, той же ефект досягається при бiльше короткiй
експозицiï, при меншоï величени светого стимулу. Iншими
словами, чим довше комаха залишається в темрявi, тим дошкульнiше
до свiтла залишаються його годинник. Протягом двох-трьох днiв
досягається дванадцяти кратна колiрна адапция: якщо вiдразу пiсля
переносу лялечок з безперервного свiтла в темряву свiтловi iмпульси
сприймають слабко, те пiсля двох днiв перебування в темрявi чутливiсть
годин зростає настiльки, що безперервного висвiтлення, навiть
бiльше тьмяного, чим мiсячне свiтло, уже досить, щоб зупинити ïхнiй
хiд. За останнiм часом отриманi iншi пiдтвердження такоï
своєрiдноï аксонометрiï кристала часу, хоча причина
невiдома. Може бути, цей наслiдок поступового вiдновлення пiгменту,
зруйнованого за час довгого перебування на свiтлi: або справа в
повiльному ослаблення циркадианних годин — адже чим менше
амплiтуда коливання, тим легше ïх порушити; а можливо, мають мiсце
обидвi причини. Для одних бiологiчних видiв собранно бiльше даних на
користь першого пояснення, для iнших — на користь другого;
механiзми можуть бути рiзними
