В свое время понятие «постоянство внутренней среды», предложенное выдающимся французским физиологом Клодом Бернаром, было весьма прогрессивным. С легкой руки американца У. Кэннона, опубликовавшего в 1932 г. свою знаменитую книгу «Мудрость организма», постоянство внутренней среды стали называть гомеостазом – стремлением организма к одному и тому же состоянию. Это была плодотворная концепция, стимулировавшая многие исследования. Ведь если у здорового человека состояние внутренней среды не меняется, то можно изучить это состояние и узнать, что такое здоровье. Все отличающееся от показателей здоровья – это болезнь.
Доказывать существование ритмов пришлось с большой тщательностью. Как это можно было сделать? По наличию колебаний? Ритм – это не только колебательный процесс. Это самоподдерживающийся, или автономный, процесс. Следовательно, он должен сохраняться в постоянных условиях.
Основным фактором, влияющим на биологические ритмы, является свет, следовательно, первое требование к ритмам заключается в том, чтобы они сохранялись в темноте. Каким образом определить, существует ли ритм в темноте? На помощь пришли лабораторные животные. В обычных условиях им свойственна периодическая двигательная активность.
К спинке белой крысы прикрепили ниточку, связанную с рычажком, который оставлял след на медленно двигавшейся закопченной ленте. Это устройство издавна применяется в физиологии и называется кимографом. Так были получены первые результаты – и в полной темноте наблюдаются строго определенные периоды двигательной активности белых крыс. Но оппоненты уже нашли повод для сомнений: «Как часто вы кормили животных? Как часто меняли ленту в кимографе?» Ответ очевиден: и то, и другое делали строго один раз в сутки, т. е. через 24 часа. Оказалось, что не только смена ленты в кимографе и регулярное питание могут послужить датчиком времени или «звонком будильника» для ритма, но и многие другие факторы: единичная короткая вспышка света, шум, периодически доносящийся в помещении, где содержатся животные, и т. д. Всего этого было достаточно, чтобы «сверить» ритм внешних и внутренних часов.
Новая наука потребовала и разработки новых методов. Основным принципом исследования ритмичности процессов стало изучение их в условиях строгого постоянства окружающей среды.
Прежде всего ученые попытались исключить в экспериментальных условиях действие всех известных факторов: освещенности, температуры окружающей среды, шума и воздействия электрического и магнитного полей.
Для таких исследований в Западной Германии впервые в мире был создан специальный подземный бункер. А ученым, которые не располагали подобным оборудованием, пришлось воспользоваться тем, что создала сама природа. Для этой цели больше всего подходили подземные пещеры.
Знаменитая пещера с романтическим названием «Полночь» в американском штате Техас и пещера «Оливье» недалеко от Ниццы стали по существу подземными лабораториями. Чаще всего ученые проводили в них исследования на… себе. Известный французский спелеолог Мишель Сиффр осуществил много экспериментов в подземных пещерах. Эти исследования вполне можно назвать научным подвигом. Сиффр поставил рекорд пребывания человека под землей в полном одиночестве – 205 дней. В течение всего этого времени его организм сохранял близкий к суточному ритм, хотя его период и отклонялся от 24-часового, но, тем не менее, ритм продолжал существовать. Правда, рекорд Мишеля Сиффра побил итальянский спелеолог Маурицио Монталбини. Благодаря своему упорству он провел под землей, не поднимаясь на поверхность, 210 дней. По всей вероятности, это достижение попадет в Книгу рекордов Гиннесса. Вернувшись к своим друзьям и близким, Монталбини чувствовал себя необычайно счастливым, хотя первое время врачи опасались за его глаза и легкие. Важно то, что под землей его биологические часы продолжали отсчитывать время, облегчив тем самым адаптацию к привычным, земным условиям.
Ритм, проявляющийся в постоянных условиях и имеющий период, несколько отличающийся от 24-часового, ученые назвали естественным, или свободно текущим. Но вряд ли такой ритм можно считать естественным.
Человек, как и все живое, привык к периодически меняющимся условиям окружающей среды, только такие условия для него естественны. Постоянные условия – нечто искусственное для человека, а следовательно, и проявляющийся в них ритм нельзя считать естественным.
Цвет и ритм
Пульсирующие световые реакции
К исследованиям хронобиологов подключились и химики. Тщательный анализ накопленного материала позволил биохимику Орландо Кьересу, проводившему свои эксперименты в Исследовательском центре в небольшом французском городке Жифе, высказать предположение, что материальной основой суточных ритмов в живой ткани является баланс между химическими реакциями, активируемыми светом или темнотой. Условно он назвал их световыми, или темновыми, реакциями.
Инженер-химик Е.Н. Москалянова при изучении химических реакций в растворах, которые содержат одну из необходимых человеческому организму аминокислот – триптофан, открыла еще одну разновидность пульсирующих реакций. Жидкость становилась то желтой, то красной или синей, фиолетовой… И самое удивительное – каждому цвету «радуги» соответствовало определенное время. Это еще одна разгадка многих тайн, окружающих работу биологических часов. Можно ли ждать подобной периодической реакции в живом организме? Во всяком случае, с большой степенью вероятности.
Несколько десятилетий назад биофизик Борис Павлович Белоусов открыл особый вид пульсирующих окислительно-восстановительных реакций. Жидкость в пробирке прямо на глазах меняла свой цвет: она становилась красной, синей, затем снова красной и т. д. Окраска изменялась строго периодично.
О своем открытии Белоусов рассказал на одном из симпозиумов. Сообщение было выслушано с большим интересом, однако никто, в том числе сам автор, не придал особого значения тому факту, что исходными компонентами пульсирующих реакций являются органические вещества, весьма сходные по своему составу с веществами живой клетки.
Позднее на это обратил внимание и разработал подробную рецептуру таких растворов другой отечественный ученый А.М. Жаботинский. И сегодня реакции такого класса вполне справедливо называют реакциями Белоусова – Жаботинского. Если осветить пробирку, в которой происходит подобная реакция, монохроматическим светом определенной длины волны, то яркость свечения пробирки будет меняться по закону синусоиды. А ведь синусоиду можно начертить с помощью маятника самых обычных механических часов.
Таким образом, получается, что реакция Белоусова – Жаботинского представляет собой своеобразные «химические часы». В 1980 г. группа ученых во главе с Б.П. Белоусовым и А.М. Жаботинским была удостоена Ленинской премии. Дальнейшие исследования в США, Индии, Японии показали, что биохимические реакции вполне могут быть материальным фундаментом биологических часов.
