Клеточные часы

Хотя цикл роста и деления клеток является периодическим процессом, он в действительности не обладает характеристиками часов. Дело здесь не в том, что цикл нестабилен при постоянных условиях (в этом случае он был бы просто ненадежным хронометром), а в том, что средний период клеточного цикла меняется при изменении внешних факторов, таких, как состав среды, освещение и температура . Конечно, не вызывает сомнений то, что в основе клеточных часов лежит процесс, скорость которого зависит от метаболических активностей, подверженных этим влияниям. Но поскольку функция часов — измерять определенные интервалы времени независимо от условий окружающей среды, в которой они находятся, то следует скомпенсировать эти влияния, т. е. должен быть временной гомеостат, поддерживающий постоянство периода. Проблема создания надежных хронометров была серьезным испытанием для изобретателей и мастеровых XVI и XVII веков; от ее решения

зависела навигационная точность, имевшая большое значение в эту эпоху кругосветных путешествий. Для того чтобы на точность хода не влияла окружающая среда, хронометр изолировали: заключали его в водонепроницаемый футляр, подвешивали на карданном подвесе для предотвращения механических сотрясений и т. д. Труднее было скомпенсировать изменение температуры; только во второй половине XVIII в. французу Леруа удалось сконструировать компенсационные балансиры, так что моменты инерции маятников не изменялись с температурой. Интересно отметить, что жители островов Полинезии, которые в пределах своего архипелага были вынуждены плавать на расстояния свыше 2000 миль, могли измерять время так же хорошо, как и капитан Кук, хотя у них не было механических хронометров и секстантов. Очевидно, они использовали свои собственные часы, а также обладали высокоразвитой способностью к распознаванию и ориентировке, приобретенной в результате длительной тренировки. Эта интересная проблема до сих пор не решена. Еще более удивительными являются навигационные способности мигрирующих птиц. Какова природа биологического процесса, дающего им эту свободу передвижения в пространстве с помощью точного восприятия времени? Связь между картами и часами — наиболее фундаментальная зависимость в биологии; мы убедимся в этом в следующей главе при рассмотрении эмбриогенеза. В данный же момент наши интересы связаны главным образом с хронометрией.

О существовании примерно 24-часового ритма активности различных типов в организмах, наблюдающегося независимо от любой внешней периодичности, известно уже давно. Такие ритмы сейчас называются циркадными (circa diem, примерно один день), и они являются наиболее интенсивно изучаемым проявлением внутренней системы контроля времени в организмах. Помимо этого имеются данные и о ритмах с другими периодами, такими, как приливно-отливные, недельные, месячные (лунные), сезонные, годовые и более длительные, также являющиеся элементами хронометрии у различных организмов. Здесь я ограничусь циркадными ритмами, а среди них только примерами, которые позволяют детально изучать это явление на клеточном уровне.

Один из на. олее интересных организмов для изучения циркадного режима — одноклеточная морская водоросль Gony-aulax polyedra. Это один из многих микроорганизмов, ответственных за свечение воды в океанах, причем интенсивность этого свечения достигает максимума к 11 - 12 ч ночи. Культуры Gonyaulax могут содержаться в лабораторных условиях, что позволяет подробно исследовать физиологию их циркадных ритмов. Исследования Суини и Гастингса (Sweeney, Hastings,

1958) показали, что периодичность характерна не только для самого процесса люминесценции, но и для ее яркости, которая достигает максимума приблизительно за два часа до конца периода темноты, а также для процесса клеточного деления с максимумом числа делящихся клеток, наступающим через полчаса после максимума яркости. Эти ритмы продолжают существовать в течение недель после того, как культуры, выдержанные в условиях чередования 12-часовых интервалов света (900 фут-свечей) и темноты (сокращенно СТ 12:12), помещают в условия постоянного слабого освещения (100 фут-свечей). При постоянной освещенности период ритма не равен в точности как при СТ 12:12,, но близок к ним. При изменении температуры период ритма меняется слабо. Например, при 18° С он равен 22,9 ч, в то время как при 25° С - 24,7 ч. Таким образом, ритм имеет , т. е. часы не просто скомпенсированы в их реакции на температуру, а перекомпенсированы! Однако главным моментом оказывается то, что этот период, несмотря на изменения температуры, сохраняется примерно равным 24 ч в отличие от времени генерации.

В режиме СТ 12: 12 при 21,5° С культура Gonyaulax исследуемая Суини и Гастингсом (Sweeney, Hastings, 1958), имела среднее время генерации 1,5 сут. Поскольку огромное большинство клеточных делений в любые сутки происходит перед самым рассветом, то очевидно, что клетки в основном делятся с чередующимся временем генерации в 1 и 2 дня, что приводит к среднему значению для популяции 1,5 сут. (В действительности времена генерации могут быть скомбинированы разными способами, например -часовых времен генерации с -часовыми временами генерации за суток. При этом , где n, m и — целые числа, но случаи сравнительно маловероятны.) Особый интерес представляет то, что клеточный цикл в этом организме находится под управлением эндогенных или внутриклеточных часов, которые каким-то образом вынуждают или стробируют клеточный цикл, что в некотором смысле эквивалентно усилению синхронности между колеблющимися клетками и внешней периодичностью. Клетки со средними временами генерации, отличными от периода управляющих колебаний, во время их несинфазных циклов будут остановлены перед вступлением в деление (в предположении ингибиторного управления). При этой задержке общий рост будет продолжаться, так что они могут завершить следующий цикл быстрее. Таким образом, в срабатывании процессов синхронизации в этих двух случаях не существует разницы, за исключением происхождения синхронизирующего

сигнала, который в случае циркадных часов оказывается внутриклеточным.

Однако здесь возникает одна чрезвычайно интересная проблема — это вопрос о том, почему культуры Gonyaulax polyedra после того, как они синхронизованы ритмом СТ 12: 12, остаются синхронными в течение недель при непрерывном слабом освещении без каких-либо признаков снижения амплитуды ритма в следующих циклах. Если культура содержится при непрерывном ярком освещении, то ритм быстро сбивается и культура становится полностью асинхронной, причем клетки делятся в любое время дня и ночи. По-видимому, при слабом освещении между клетками возможна какая-то связь, так что клетки остаются в фазе на протяжении всех циклов; природа этого взаимодействия неизвестна. Аналогичные данные были получены Эдмундсом (Edmunds, 1971) при исследовании ритмов клеточного деления у Euglena gracilis.