5. Предвестники современной мысли

Более пятидесяти лет назад Альберт Эйнштейн, разработав специальную теорию относительности, показал, что при превращении массы в энергию количество выделяющейся энергии пропорционально квадрату скорости света. Не прошло и тридцати пяти лет, как физики экспериментально подтвердили вывод Эйнштейна, непосредственно измерив энергию, выделяющуюся при расщеплении атома.

В отличие от физики в науке о биологических ритмах еще нет своего Эйнштейна. Первые попытки сколько-нибудь активного объяснения природы этих ритмов были предприняты только в начале тридцатых годов. Научный мир встретил их с еще большим скепсисом, чем в свое время теорию относительности.

Почему же так получилось? Прежде всего, живые организмы, объект исследований биологов, представляют собой значительно более сложные образования, чем изучаемые физиками атомы. А ведь атомы, особенно атомы тяжелых элементов, невероятно сложны. И все же атом намного проще самого маленького из живых организмов. Хотя вирусная частица так мала, что ее можно увидеть лишь с помощью электронного микроскопа, количество составляющих ее атомов очень велико.

Кроме того, не следует забывать, что биологи, работавшие в самых разных областях, занимались разработкой и решением многих частных практических проблем. По мере того как они находили ответы на одни вопросы, перед ними возникали другие. В результате прошло много времени, прежде чем стало очевидным, что в ритмическом поведении самых разных организмов существуют общие закономерности.

Так, энтомологи, бродя по свету в поисках насекомых, с помощью которых можно было бы бороться с сельскохозяйственными вредителями, не обращали особого внимания на то, что насекомые выходят из куколок в определенное время дня и года. Генетики, выводя растения, наиболее приспособленные к определенным местообитаниям, не интересовались продолжительностью дня в этих широтах в разное время года. Ветеринары, узнав первопричину и найдя способы лечения свиной холеры, не знали, что стрессовые воздействия снижают устойчивость свиней к этому заболеванию.

Таким образом, нет ничего удивительного в том, что концепция живых часов была выдвинута лишь после того, как биологи сумели обобщить огромное множество наблюдений и понять, что некоторые, казалось бы, очень разные факты относятся к одному и тому же типу явлений.

Одно из первых строгих исследований ритмической активности в живом организме было осуществлено голландским ботаником Антонией Клейнхоонте в 1929 году.

Хотя Дарвин, изучая «движения сна» у листьев, поставил не одну сотню опытов, методика экспериментов за прошедшие с тех пор пятьдесят лет шагнула далеко вперед, и Клейнхоонте была склонна подвергнуть сомнению достоверность результатов, полученных Дарвином. Да и работа его строилась не по тому плану, который бы позволил получить ответы на вопросы, занимавшие мысли голландской исследовательницы. Большинство своих наблюдений Дарвин проводил в естественных условиях чередования дня и ночи или при незначительных изменениях этих условий. К тому же объектом его экспериментов были растения, принадлежащие более чем к ста пятидесяти видам. И при всем своем желании он просто не имел времени на детальное изучение какого-либо одного из них.

Клейнхоонте понимала, что более глубоко изучить механизм «движений сна» у листьев можно, лишь постоянно и продолжительно наблюдая за поведением какого-нибудь одного вида растений. В качестве объекта для своих экспериментов она выбрала крупное растение, мечевидную канавалию (Canavalia ensiformis), и составила тщательно продуманную программу экспериментов, в которую включила большое число измерений при самых различных условиях.

Основной целью исследований было узнать, являются ли «ритмы сна» у растений врожденными или они вызываются суточным ритмом чередования света и темноты. Что случится с растением, выросшим в нормальных условиях, если ночью, когда листья будут находиться в положении сна, осветить их одиночной вспышкой длительностью всего в одну-две минуты? Что произойдет, если вырастить растение из семени в аномальных условиях, скажем в режиме чередования 6 часов света и 6 часов темноты? А может быть, попробовать режим 8 часов света и 8 часов темноты, или 18 часов света и 18 часов темноты, или 24 часа света и 24 часа темноты? Запомнят ли сеянцы новые ритмы? И если запомнят, то сохранят ли их при постоянной темноте или слабом освещении?

Но для того чтобы получить ответ на любой из этих вопросов, исследовательница нуждалась в приборе, который бы обеспечил точную и непрерывную запись движений листьев в любом режиме чередования света и темноты. Метод, которым пользовался Дарвин, явно не годился, поскольку требовал постоянного визуального наблюдения, а Клейнхоонте не хотела допускать ни малейших нарушений режима, которые могла вызвать даже самая слабая лампа, включаемая на время наблюдений. Поэтому она остановила свой выбор на кимографе, создав исключительно чувствительную модель этого прибора.

К средней жилке первого листа канавалии она прикрепила тонкую нить, которую перекинула через маленький блок. К нити под блоком был подвешен кусочек тоненькой проволоки, согнутый конец которой оставлял след на закопченном барабане, медленно вращавшемся с постоянной скоростью. Первые же испытания показали, что прибор вполне обеспечивает запись движений листьев.

Рис. 18. Кимограф, похожий на тот, которым пользовалась Антония Клейнхоонте для регистрации движений листьев фасоли. 1 — писчик, регистрирующий на непрерывно вращающемся барабане движение листа. Слева — лист в дневном положении, справа — в ночном.

Клейнхоонте сначала записала движение листьев у проростков, растущих в нормальных условиях. Наиболее четкими оказались суточные ритмы сна 17- или 18-дневных растений. Растения этого возраста и были выбраны для проведения экспериментов.

Записав движения листьев сеянца в нормальных условиях, Клейнхоонте в соответствии со своей экспериментальной программой ночью, когда листья уже полностью находились в положении сна, включала всего на одну минуту яркий свет, после чего растение оставлялось в условиях непрерывной темноты. И даже в темноте листья принимали свое обычное дневное положение (как и ожидала Клейнхоонте на основании результатов, полученных предшествующими исследованиями), но теперь растение возобновляло свой ритм с задержкой на двенадцать часов. Так было доказано, что одиночная короткая вспышка света может сдвинуть фазу ритма.

Для следующего эксперимента семена проращивали при непрерывно повторяющемся цикле 8 часов света и 8 часов темноты. После того как проростки достигли 17-дневного возраста, Клейнхоонте присоединила нить кимографа к средней жилке первого листа и приступила к записи.

Растение вело себя так, словно общая продолжительность суток составляла всего 16 часов — с 8-часовым «днем» и 8-часовой «ночью». Тогда Клейнхоонте приступила к следующему этапу экспериментального исследования, оставив это же растение при непрерывном освещении. Теперь оно не имело никаких указаний на время суток — ни тех аномальных, в которых было выращено, ни естественных. Сохранит ли растение шестнадцатичасовой цикл? Или перейдет на какой-то другой? Наблюдая за записью, Клейнхоонте увидела, как постепенно растение перешло от аномального цикла к своему обычному суточному ритму. Несмотря на то что с момента прорастания растение никогда «не видело» настоящих дня и ночи и было вынуждено жить в неестественном цикле, оно все же сохранило способность установить совершенно нормальный ритм.

В своих многочисленных экспериментах Клейнхоонте создавала разные аномальные циклы и, после того как ритм проростков попадал с ними в фазу, оставляла эти растения в одних случаях при непрерывном освещении, в других — при непрерывной темноте. И всегда, как только растения освобождались от принудительного аномального цикла, они возвращались к своему естественному ритму, соответствующему суточному вращению Земли — тому, в котором жили многие поколения этого растения.

Означает ли это, что такой ритм является действительно врожденным? Предполагает ли это, что, если канавалию выращивать в течение многих поколений в лабораторных условиях, без каких-либо ориентиров внешней среды, у нее сохранится природный ритм? Клейнхоонте не спешила с такого рода заключениями Она сделала только один вывод — периодическое движение листьев вызывается «автономными», то есть саморегулирующимися факторами. Но о том, что это за факторы, не было сказано ни одного слова.

И все же Клейнхоонте внесла серьезный вклад в понимание связи эндогенного ритма с чередованием света и темноты. Она сделала большой шаг вперед, который привел к первой современной гипотезе о том, как работают живые часы.

Другой значительный шаг вперед был сделан Ингеборг Белинг, работавшей в Мюнхенском университете в лаборатории выдающегося энтомолога Карла Фриша. Атмосфера в лаборатории, куда в конце двадцатых годов приехала Белинг, была очень хорошо охарактеризована самим Фришем в его недавно опубликованных воспоминаниях.

«Более пятидесяти лет пчелы в нашей лаборатории, а во время каникул — на Вольфгангзее были самыми любимыми подопытными животными. Их способность различать цвета, их обоняние и вкус, связь их чувств с миром цветков, их «язык» и способность ориентироваться — вот та чудесная и загадочная область исследований, которая всегда манила меня. Постепенно мы открывали для себя много нового. Открытий этих становилось все больше, и они настоятельно требовали изучения и объяснений».

Фриш, всю свою жизнь занимавшийся пчелами, разработал специальную конструкцию ульев для наблюдений (так называемый наблюдательный улей), создал кормушки для обучения и методы нумерации пчел пятнышками цветного шеллака. С помощью этого метода он без особого труда узнавал любую из участвующих в опыте пчел, даже если их было несколько сотен.

Высокое качество экспериментального оборудования, смелость и изобретательность в постановке опытов — все это обеспечивало постоянный приток в Мюнхен способных молодых людей, жаждавших работать под руководством знаменитого Фриша. Среди них была и Ингеборг Белинг, которой предстояло наиболее длительное сотрудничество с ним.

Обсуждая с Ингеборг программу ее будущих исследований, Фриш напомнил ей, что у Фореля в Швейцарии пчелы прилетали к утреннему столу на террасу независимо от того, было на нем варенье или нет. Вспомнил он и о сообщении Буттель-Реепена, что пчелы прилетают на поле гречихи только в те часы, когда начинается выделение нектара.

Как мы уже отмечали, и Форель, и Буттель-Реепен были уверены, что пчелы прилетают за пищей только в такое время, когда ожидают найти ее. Буттель-Реепен назвал эту замечательную способность «чувством времени». Но где же источник этого чувства времени? Находится ли он внутри самой пчелы или она ориентируется по каким-то сигналам из внешней среды? И если это так, то какие именно внешние события являются этими ориентирами?

Ингеборг Белинг сразу же поняла, сколь увлекательна проблема, и согласилась немедленно заняться ею. Она была уже достаточно квалифицированным экспериментатором и после непродолжительной тренировки полностью освоила специальные методики Фриша. Со всем энтузиазмом молодости занялась она разработкой своей экспериментальной программы.

Прежде всего необходимо было проследить за поведением пчел в нормальных условиях. Для участия в эксперименте Белинг отобрала пять пчел-сборщиц и каждой из них дала свой порядковый номер (1, 11, 12, 17, 19). Давайте посмотрим, как она метит этих пчел.

Перед ней на лабораторном столе подставка с пятью тонкими кисточками и пятью маленькими чашками Петри с шеллаком, окрашенным в белый, красный, синий, желтый и зеленый цвета. Здесь же находится часовое стекло с сахарным сиропом, на которое сажают отобранных пчел. Белинг погружает первую кисточку в чашечку с белым шеллаком и ставит маленькое пятнышко на середине груди около головки пчелы 1. На пчеле 11 она ставит два белых пятнышка, также близко к ее головке. Пчела 12 получает рядом с белым пятнышком красное, справа от него; пчела 17 — белое пятнышко у головы и желтое под ним и т. д. Все это время пчелы так заняты поглощением искусственного нектара, что не обращают на действия экспериментатора никакого внимания. Шеллак высыхает, и Белинг возвращает пчел в улей.

После этого помеченных пчел надо обучить прилегать к кормушке с сиропом каждый день в течение определенного двухчасового интервала. Методика такого обучения уже была разработана Фришем.

Рано утром, задолго до вылета пчел, Белинг наносила около летка маленькую каплю сахарного сиропа со слабым запахом лавандового масла. Пчелы быстро находили сироп. Так начинался первый этап обучения.

На следующее утро Белинг помещала очередную каплю «нектара» немного подальше. На третье утро для этой цели использовался кормежный столик — деревянная пластинка, укрепленная на заостренном колышке, который можно было втыкать в землю где угодно. Когда она разместила этот кормежный столик с душистым нектаром на расстоянии трех метров от улья, пчелы быстро нашли его: они уже начали заучивать нужное экспериментатору направление полета. Постепенно Белинг относила столик все дальше и дальше от улья, и очень скоро пчелы познакомились с местом, которое было избрано для главной части эксперимента.

Теперь, когда пчелы знали направление полета, следовало приучить их прилетать за едой в определенный двухчасовой интервал, между четырьмя и шестью часами дня. Сироп ставили на столик только в эти часы. Пчелы очень быстро поняли, что прилетать к кормушке в любое другое время бесполезно.

Следующий этап исследований заключался в том, чтобы выяснить, как будут вести себя меченые пчелы, если сироп вообще не будет выставляться. Утром 20 июля 1927 года Ингеборг Белинг поднялась рано. В половине седьмого она уже находилась на своем наблюдательном посту с полевым дневником, карандашом и часами в руках, готовая записывать время появления и номер каждой прилетающей пчелы.

Хотя Белинг и считала, что дежурство с половины седьмого утра до четырех часов дня будет самым долгим и неинтересным, она все-таки не забывала о необходимости быть внимательной и в это время.

Не прошло и часа, как ее ухо уловило слабое гудение летящей в поисках нектара пчелы. Опустившись на столик, пчела приблизилась к пустому часовому стеклышку. На передней части ее груди Белинг увидела две белых точки — пчела 11! Для появления пчел было слишком рано; еще более странным было то, что пчела 11 вновь вернулась между половиной восьмого и восемью часами утра.

Впоследствии, обсуждая с Фришем результаты эксперимента, Белинг спросила, почему, по его мнению, хорошо обученная пчела так ошиблась во времени? На это Фриш ответил, что никогда не следует забывать, что биология не относится к числу точных наук и в поведении животных могут наблюдаться отклонения от нормы. А кроме того, «в мире голодных лучше прибыть к месту кормежки раньше, чем позже».

Вплоть до половины четвертого дня ни одна из пчел более не посетила столика с кормушкой. Между половиной четвертого и четырьмя часами опять прилетела пчела 11, а вслед за ней пчела 19. В следующие полчаса было 6 посещений, а между половиной пятого и пятью — 17. После этого каждые полчаса было сначала 11, потом 4 и наконец 2 посещения. К половине седьмого все закончилось, и, хотя Белинг не покидала своего наблюдательного поста до восьми часов вечера, ни одна пчела больше не прилетела. Уставшая, побрела она в лабораторию, неся драгоценные записи поведения каждой из пчел в течение дня.

Волнение пчел, не обнаруживших еды в привычном для них месте, исследователь Макс Реннер позднее описывал так: «Наблюдая за поведением пчел, ясно видишь, что пчелы не могут «поверить», что стол не накрыт для них, как обычно. Они прилетают снова и снова, ползают вокруг, опускают свои хоботки в чашечку и в который раз убеждаются, что в ней действительно ничего нет. Наиболее предприимчивые в поисках нектара прикладываются ко всем блестящим предметам, например к часам или карандашу, а особенно смелые даже суют свои хоботки в морщинки на изгибе руки наблюдателя».

Длинный утомительный день 20 июля 1927 года не только подтвердил, что обученные пчелы посещают пустые кормушки в назначенное для кормления время. Он, в сущности, означал начало нового, более интенсивного накопления данных. Установив стереотип поведения пчел, Белинг могла экспериментировать с ними в любых необычных условиях, узнавая тем самым, какая информация требуется пчелам, чтобы найти определенное место и в определенное время.

Какие явления в окружающем мире, спрашивал профессор у своей ученицы, могли бы служить для пчел ориентирами во времени? Какие циклические явления вам известны? Белинг перечисляла их. Чередование света и темноты. Изменение положения Солнца на небосводе. Изменение температуры воздуха: теплее днем и прохладнее ночью. Изменение концентрации электрических зарядов в атмосфере, отмеченное десятилетия назад Аррениусом. Изменение интенсивности космических лучей. И наконец, не исключено, что существует какой-то неизвестный фактор, который хотя и не доступен восприятию человека, но может служить временным ориентиром для пчел. В принципе существование такого фактора нетрудно себе представить. Например, широко известно, что собака слышит ультразвуковые сигналы, не воспринимаемые человеком.

Чтобы исключить влияние колебаний освещения, температуры, влажности и электрических зарядов в атмосфере, Ингеборг Белинг воспользовалась специально оборудованным помещением, где она могла поддерживать действие каждого из этих факторов на постоянном уровне. После многочисленных экспериментов она обнаружила, что пчелы и в этих условиях продолжают сохранять ту же регулярность своего поведения, что и на открытом воздухе.

Один из исследователей, работавший вместе с Белинг в Мюнхенском университете (О. Валь), показал также, что изменения интенсивности космических лучей не являются временным ориентиром. Он помещал своих пчел на двести метров под землей, в штольню солевой шахты, и там довольно успешно обучал их.

Но может быть, пчелы вообще не нуждаются в каком-либо внешнем ориентире? А что, если их в течение какого-то времени дрессировать на периодичность, значительно отличающуюся от суточного 24-часового цикла? Сохранит ли их память этот цикл? Белинг попыталась приучить пчел к 19-часовому циклу и потерпела полную неудачу. Так было получено действительно веское доказательство того, что часы пчел регулируются каким-то неизвестным фактором, совпадающим по фазе с 24-часовым ритмом вращения Земли.

Что же это мог быть за фактор?

В 1931 году доктор Хадсон Хогланд — профессор общей физиологии и декан биологического факультета Ворчестерского университета (штат Массачусетс) — начал исследования по физиологии высшей нервной деятельности человека. Он был одним из тех, кто считал, что изучение ритмических процессов имеет большое значение для понимания поведения человека. На него произвел большое впечатление доклад А. Хилла на первом Симпозиуме по количественной биологии в Колд-Спринг-Харборе в 1933 году. В этом докладе Хилл дал описание двух разных видов колебательных процессов, наблюдаемых в природе; причем один из них он использовал в качестве модели для изучения работы нервной ткани.

Рис. 19. Маятниковые часы Галилея, представляющие собой пример инерционного осциллятора. Маятник периодически проходит (то вправо, то влево) положение равновесия (вертикальное). В точке максимального отклонения сила тяжести изменяет направление его движения.

Рис. 20. Греческие водяные часы — пример релаксационного осциллятора. Когда равномерный поток воды из цилиндра слева поднимает уровень воды в правом цилиндре до максимального, вода быстро выливается через сифон, вращая при этом водяное колесо. Поплавок опускается и укрепленная на нем фигурка записывает нисходящую линию на начинающем вращаться от водяного колеса цилиндре.

Приглядываясь к миру предметов и событий, мы обнаруживаем, что колебательные и волновые движения играют важную, а порой доминирующую роль. Поэтому не следует удивляться тому, что волновые процессы характерны и для нашего собственного организма.

Большинство общеизвестных колебаний, с которыми имеет дело физика, являются следствием взаимодействия свойств, аналогичных инерции и упругости. Движущаяся или меняющаяся система, с одной стороны, имеет тенденцию сохранять состояние движения, поскольку обладает массой или индуктивностью. С другой стороны, такие системы, если они продолжают существовать и если энергия их движения не рассеивается, должны обладать свойствами, которые будут стремиться вернуть их назад, как только они перейдут через равновесное состояние. Иначе говоря, на такие системы действует сила, которая увеличивается с удалением от положения равновесия и неизбежно приводит к возвратному движению, после чего колебательный процесс продолжается.

Существует и другой тип колебаний, хорошо известный в повседневной жизни. Суть этих колебаний сводится к разряду, происходящему при достижении предельного потенциала или некой предельной интенсивности. Например, вода, наполняющая бак с сифоном, будет выливаться время от времени, как только бак наполнится до определенного уровня. Или популяция, устойчивая к кори из-за наличия определенного числа иммунных людей, становится с течением времени менее иммунной и наконец подвергается эпидемии кори.

Еще один пример — неоновая лампа, соединенная параллельно с конденсатором и последовательно с сопротивлением и источником электродвижущей силы, будет вспыхивать через регулярные промежутки времени: как только разность потенциалов на конденсаторе достигает критического значения. Именно такой тип колебательной системы (иногда называемый релаксационным осциллятором) и интересует нас^[4].

Хогланд, будучи физиологом, естественно сосредоточил свое внимание на осцилляторах релаксационного типа. Считая химический механизм наиболее вероятной основой для субъективного чувства времени, он пытался найти процессы, которые, как и скорости химических реакций, зависели бы от двух факторов — температуры и концентрации веществ, принимающих участие в реакции^[5]. Полученные Хогландом экспериментальные данные подтвердили влияние этих факторов на измерение человеком небольших интервалов времени (минуты). Хогланд не только одним из первых предположил, что живые организмы содержат в себе химические часы — «метроном», задающий ритм; он был несомненно первым, кто ясно понял, что изучение биологических часов может оказаться плодотворным в очень широкой области исследований. «Дальнейшее выяснение кинетических механизмов… должно стать желательным объектом для тех, кто изучает поведение живых организмов, как бы ни именовали себя эти исследователи — биохимиками, биофизиками, физиологами, ботаниками, зоологами, психологами или этологами». И мы действительно увидим далее, что исследователи, изучающие биологические ритмы, вынуждены подчас знакомиться со значительно более широким кругом вопросов, чем того требуют их профессиональные интересы.