Мозг, разум и поведение - Флойд Блум

Рис. 75. Цветочные часы, предложенные Линнеем в 1751 г. Цветы разных видов располагаются по часовой стрелке в соответствии с тем, в какое время суток они раскрываются и закрываются — в интервале от 6 часов утра до 6 часов вечера.

Простые организмы

Водоросли, с такой поразительной регулярностью осуществляющие свои циклы на песчаных пляжах залива Кейп-Код, состоят всего лишь из одной клетки. Следовательно, механизм, ответственный за циркадианные ритмы их активности, должен находиться внутри клетки. Однако и по сей день все попытки идентифицировать (в анатомических или функциональных понятиях) пейсмейкер или хотя бы какую-то его часть не увенчались успехом. Водоросль подвергали воздействию высоких температур или потенциально разрушительных химикалий, но она упорно продолжала делать свое дело.

У другого одноклеточного организма — Gonyaulax — наблюдаются четыре различных циркадианных ритма, затрагивающих соответственно четыре функции: фотосинтез, люминесценцию, раздражимость, клеточное деление. Определяются ли эти ритмы одним и тем же пейсмейкером или четырьмя различными? Ответ на этот вопрос пока не получен. Даже после удаления клеточного ядра микрохирургическим способом ритмы сохраняются.

Рис. 76. Аплизия (Aplysia californica). Нейроны наружного края глаза действуют у нее как пейсмейкеры, сообразуя циклы питания и покоя этого морского моллюска с циклами света и темноты и приливами.

Один из хорошо изученных многоклеточных организмов — Aplysia califopnica, слизнеподобное существо, жизнь которого тесно связана с тихоокеанскими приливами (см. рис. 76). Аплизия — очень удобный объект для исследований, так как связи и функции ее крупных нейронов довольно легко поддаются выявлению. Феликс Штрумвассер обнаружил у некоторых нейронов наружного края глаза определенный ритм частоты импульсного разряда — она возрастает на свету и уменьшается в темноте. Если эти нейроны выделить, поместить в ванночку с морской водой и выдерживать в абсолютной темноте, то их импульсация останется такой же, как если бы они находились внутри живого организма. Очевидно, ритм этих нейронов, помогающий организму согласовывать суточные циклы питания и покоя со сменой дня и ночи, приливами и отливами, регулировался процессами, происходящими внутри самих нейронов. Но каковы эти процессы, пока еще, как и в случае с одноклеточной водорослью, не установлено, хотя ученые полагают, что существует какая-то связь между скоростью белкового синтеза в клетке и ее ритмом.

Птицы и млекопитающие

Каждую осень пеночки-веснички мигрируют из Центральной и Северной Европы, где они выводили потомство, в теплые края Центральной и Южной Африки. Подобного рода миграции свойственны многим видам птиц. Золотистая ржанка летит размножаться в Юкон из такой далекой южной страны, как Аргентина, покрывая расстояние около 7000 миль; полярная крачка гнездится в северной Европе, Азии или Северной Америке и мигрирует в Антарктику. Что служит пусковым механизмом миграции? Что ощущают птицы: то, что дни становятся короче, или то, что температура постепенно снижается?

Рис. 77. Ночная активность экспериментальных групп пеночек-весничек, содержавшихся в лабораторных условиях при постоянной температуре в ФРГ (а) и Африке (в) ив естественных условиях в ФРГ (б) и Африке (г). Закрашенные столбики — периоды смены оперения. (Gwinner, 1968.)

Для того чтобы выяснить это, ученые вынули весной только что оперившихся птенцов пеночки из европейских гнезд и разделили их на четыре группы. Одна группа осталась в естественных условиях. Вторую поместили в лаборатории, расположенной неподалеку от мест обитания птиц, но в условиях постоянной температуры (11,6°С) и чередующихся 12-часовых периодов света и темноты. Две оставшиеся группы были самолетом перевезены в Африку, в места их зимовки, причем одну из них содержали здесь в тех же лабораторных условиях, что и вторую европейскую группу, а другую оставили жить в природных условиях. Оказалось, что у всех четырех групп сохранился один и тот же годичный цикл поведения. Где бы они ни находились, весной и осенью у них проявлялись признаки миграционного беспокойства (ночная активность, не характерная для других сезонов), а в промежуточные периоды происходила смена оперения (см. рис. 77). Этот основной ритм, по-видимому, определялся каким-то внутренним механизмом.

Рис. 78. Когда золотистый суслик выходит из спячки, температура его тела за 2 часа поднимается от почти нулевой до нормальной. На графиках представлены результаты четырехлетних наблюдений за изменениями массы тела у животных во время спячки. (Pengelly, Amundsen, 1971.)

Другой ультрадианный цикл поведения, свойственный многим млекопитающим, — это зимняя спячка. Золотистый суслик, коренной житель Скалистых гор, на время суровых тамошних зим впадает в спячку. В лаборатории в условиях постоянной температуры (как при 0°С, так и при обычной комнатной температуре) и чередующихся 12-часовых периодах света и темноты суслики все-таки в сентябре — октябре начинали больше есть и набирали вес, а затем впадали в спячку, причем температура тела у них снижалась почти до 0°С (см. рис. 78). Весной они просыпались, приступали к еде и становились подвижными. Этот годичный цикл для золотистого суслика, по-видимому, генетически запрограммирован. Действительно, зверьки, родившиеся и выращенные в лаборатории при постоянных световых и температурных условиях, обнаруживали характерные циклы поведения на протяжении трех лет.

Роль средовых сигналов

Наследственность, которая заставляет пеночек-весничек готовиться к перелету, а золотистого суслика приблизительно в то же самое время года — к спячке, без сомнения, отражает длительную эволюционную историю вида. Если бы животные, прежде чем начать готовиться к смене сезонной активности, стали дожидаться наступления определенных внешних событий, их выживание было бы более проблематичным. Продолжительное «бабье лето» в Скалистых горах могло бы, например, замедлить процесс отложения жира у суслика, и внезапная снежная буря оказалась бы для него гибельной. Вот почему биологические часы суслика должны игнорировать большую часть внешних сигналов.

Это, однако, не значит, что они вообще неподвластны воздействию внешних условий. Когда экспериментаторы содержали сусликов при постоянной температуре 35°С, близкой к нормальной температуре тела этих животных, спячка у них не наступала, но годичные циклы прибавки и потери веса сохранялись. Таким образом, по крайней мере один из факторов среды — температура — может воздействовать на некоторые генетически запрограммированные ритмы.

Другой фактор, который может иметь решающее значение для синхронизации ряда ритмов, — это свет. Цветок гелиотропа, занесенный в помещение и находившийся все время в полной темноте, продолжал раскрываться и закрываться в том же ритме, что и раньше на свету. Однако дальнейшие эксперименты показали, что у сеянцев некоторых видов, выращенных в полной темноте, характерные ритмы вообще отсутствовали до тех пор, пока растение хотя бы однажды не было выставлено на свет. Этого было достаточно для запуска генетического механизма, ответственного за открывание и закрывание лепестков под влиянием света и темноты (Bunning, 1967).

Ритмы, наблюдаемые у некоторых птиц, тоже зависят от количества и интенсивности света. Зяблики, подобно большинству птиц, активны в дневные часы и отдыхают ночью. Однако, если их почти круглосуточно держать в полумраке и лишь на 15 минут каждый день включать яркий свет, то цикл активности у этих птиц будет определяться периодами сильной освещенности. Если такой период наступает рано, вскоре после пробуждения птиц, они раньше становятся активными и их цикл ускоряется; если же свет включать позднее, то будет запаздывать и период наибольшей активности (Ashoff et al., 1971).

Ученые пользуются термином «времязадатели» (перевод немецкого слова Zeitgeber) для обозначения средовых факторов, влияющих на биологические ритмы. Как могут времязадатели воздействовать на биологические часы организма? И какие физиологические механизмы лежат в основе самих часов?

Эпифиз

Любые биологические часы, зависящие от света, должны включать три элемента: 1) входной канал, по которому свет или информация о нем достигает пейсмейкера и воздействует на него; 2) пейсмейкер-генератор и регулятор ритма; 3) выходной канал, по которому передаются сигналы, возбуждающие ритмическую деятельность. У многих животных роль биологических часов, подверженных действию света, по-видимому, выполняет эпифиз (шишковидная железа).