Какие же конкретные химические процессы обеспечивают ход наших внутренних часов?
За тысячелетия цивилизации человечество изобрело множество счетчиков времени. Сегодня в службе времени предпочтение отдается атомным часам, которые отстают не более чем на одну секунду за три тысячи лет. Это время продиктовано молекулами и атомами. То есть ритм движения времени в природе связан с самой основой существования материи — атомом. А нет ли чего подобного и в основе биологических часов?
Оказывается, еще в IX веке существовали хронометры, которые состояли из двух спирально перевитых кусков каната, пропитанных пчелиным воском и свечным салом. Эти куски горели с постоянной скоростью, так что на сжигание определенной их части уходило практически одно и то же время. Соответствующая разметка позволяла довольно точно различить отрезки времени в 20 минут.
Чарлз Эре из Аргонской лаборатории при Комиссии по атомной энергии США сопоставил в 1967 году эти часы с моделью ДНК, имеющей подобную же двойную спираль. Как известно, структура нуклеиновых кислот — носителей наследственных признаков — была открыта Д. Уотсоном и Ф. Криком в 1952 1953 годах, за что они совместно с М. Уилкинсом были удостоены Нобелевской премии по медицине в 1962 году.
Давайте вспомним кратко строение нуклеиновых кислот. ДНК представляет собой две закрученные в виде спирали нити, построенные из множества нуклеотидов. Прообразом ДНК может служить винтовая лестница, где «перилами» будут элементы ортофосфорной кислоты и углеводов, а соединения из органических оснований служат «ступеньками». РНК построена более просто — в виде одинарно закрученной полинуклеотидной спирали, которая, однако, способна «вкрапливать» небольшие участки двойной спирали — как бы отдельные пролеты лестницы.
Отличительной особенностью ДНК является способность к самовоспроизведению и сохранению генетической информации. Процесс репродукции сводится к разрушению водородных связей между основаниями двух закрученных нитей, в результате чего освобождается энергия для присоединения других подобных оснований. В этом процессе немаловажную роль играет физико-химическое состояние среды, равновесие ионной структуры клетки. Атомная решетка нуклеиновых кислот способна выбирать и ориентировать в пространстве находящиеся вокруг нее «заготовки». В результате при разделе нитей ДНК на две части каждая из них формирует новый цельный экземпляр, абсолютно идентичный исходной ДНК.
Но не будем вникать дальше в этот интимный акт зачатия новых ДНК. Отметим лишь свойства, с помощью которых потомство получает необходимую наследственную информацию.
Вот эта статья написана с использованием тридцати двух букв русского алфавита и нескольких знаков препинания. Но тот же смысл можно изложить и азбукой Морзе, построенной всего из сочетаний двух знаков — точки и тире. Внешне текст будет выглядеть несколько однообразнее, но сохранит все оттенки авторской мысли и даже недостатки его стиля. Зато какая экономия шрифта! А если еще слова заменить символами, подобно тому, как мы сокращаем длинное слово «дезоксирибонуклеиновая кислота» на краткое «ДНК», то тогда вся эта книга уместилась бы на нескольких страницах. И наконец, очень трудно даже самыми подробными и точными выражениями описать внешний вид ДНК, а вот если приложить схему или маленькую фотокопию, то можно мгновенно представить ее характерные черты. И все это только с помощью одного символа-образа.
Вся информация о миллиардах частиц будущего вируса или клеток человека записана сочетанием всего лишь четырех знаков, вернее, на основе чередования двух пар нуклеотидов: аденин — тимин (А-Т) и цитозин — гуанин (ЦТ). ДНК — это язык живой материи, а сочетания А/Т — Ц/Г — две буквы азбуки.
По шаблону ДНК строится пространственное распределение и подбор определенных аминокислот. Связь между ДНК и белками можно представить переводом книги на другой язык — с кода пуриновых и пиримидиновых оснований на субстрат аминокислот.
Теперь проследим ход рассуждений Ч. Эре. Спираль ДНК — большая молекула, имеющая, например, в ядре клетки человека до метра в длину, но она столь микроскопически тонка и так плотно упакована в хромосоме, что занимает совсем немного места даже в миниатюрной клетке. Если же вообразить ДНК той самой спиралевидной свечой IX века, а ее нити равными по диаметру корабельным канатам, то длина такой свечи-ДНК составила бы около восьми километров. Но есть одно важное преимущество ДНК перед свечой-часами. Если свеча сгорает и требует замены, то живая свечка ДНК продолжает копировать самое себя в течение всей жизни клеток.
Давайте подумаем, а не выполняет ли ДНК функцию счетчика времени на самом глубинном уровне иерархии живых систем? Может быть, клетки «используют» каким-то образом периодическое строение ДНК для отсчета времени? Если да, то каким образом?
В самом деле, периодичность расположения аминокислот в молекуле ДНК вполне может выполнить роль «разметки» или «стрелок» биологических, вернее молекулярных часов.
Но эта догадка породила столько вопросов, что на первых порах их было даже трудно пересчитать. Ну хотя бы такой вопрос: какую роль в отсчете времени может играть информационная РНК, синтезируемая в ядре и переходящая в цитоплазму, где она связывается с РНК рибосом и работает как матрица для синтеза белков, ферментов и т. п. И следующий, вытекающий отсюда вопрос: существует ли связь между синтезом белков из аминокислот и течением времени? Может быть, любой биохимический и даже биофизический процесс в организме, имея свои единицы развития, служит для отсчета времени? Разве не может быть датчиком микровремени клеточная мембрана, пределы проницаемости которой строго лимитированы? Но вернемся к ДНК.
В истории биоритмологии, как и любой другой науки, огромное значение имеют объект и метод исследования. В данном случае также необходимо было найти подходящий биологический объект и метод, которые бы были оптимальны при решении возникших вопросов. В качестве объекта была выбрана парамеция — известная всем нам с первых уроков биологии простейшая туфелька. У нее существуют свои ритмы, в частности конъюгация происходит в дневное время с циркадным периодом. Биочасы парамеции легко сдвигаются при воздействии света. Но главное, часы туфельки сильно меняют свой ход под действием ультрафиолета. Предполагалось, что ультрафиолет повреждает спираль ДНК, но клетка может исправить положение, если после подействовать обычным белым светом. Это соответствовало другим опытам, в частности, применению антибиотика актиномицина-Д, подавляющего синтез ДНК в клетке и останавливающего часы водорослей.
Результаты опытов с парамецией позволили Эре предложить концепцию так называемого «хронона» — модели биологического циркадного механизма для отсчета времени. Эта гипотеза сводится к следующему.
Основой процесса отсчета времени в клетках являются длинные молекулы ДНК. На разошедшихся нитях спирали строится информационная РНК, достигая полной длины одиночной нити ДНК. Одновременно протекают взаимосвязанные химические реакции, соотношение скоростей которых можно рассматривать как регулирующий механизм часов. В целом вся последовательность этих реакций и служит для отсчета времени. Эре рассматривает такую модель как «скелет, в котором опущены все подробности».
Известный американский ритмолог Клоудзли-Томпсон считает РНК-ДНК «хозяйками» биоритмов. Сейчас эта гипотеза получает все больше подтверждений. Поэтому вполне вероятно, что параметры ритмов организма могут задаваться определенной генетической программой. Однако она реализуется только через систему биохимических и биофизических реакций.
