Текст книги "Солнечный луч"
Автор книги: Вилен Барабой
сообщить о нарушении
Текущая страница: 17 (всего у книги 18 страниц)
Луч лазера и живая ткань
Монохроматическое излучение оптических квантовых генераторов в отличие от полихроматического, широкополосного излучения Солнца и искусственных источников света может избирательно поглощаться определенными структурными элементами тканей, клеток, некоторыми хромофорными группами, пигментами. Поэтому, подбирая соответствующую длину волны, можно в принципе оказывать воздействие очень тонкое, специфическое. Лазерный луч может стать, и со временем станет, орудием направленного воздействия на организм, средством управления жизненными процессами, в особенности, когда врач будет располагать целым арсеналом лазеров, генерирующих излучение в разных областях оптического диапазона. Разумеется, для таких тонких избирательных воздействий на организм нужно использовать нефокусированное излучение сравнительно малой интенсивности, не вызывающее не только испарения, но и ожога ткани.
Световое излучение лазера вызывает в живой ткани сдвиги, присущие в обычных условиях лишь гораздо более высокоэнергетическому ионизирующему и ультрафиолетовому излучению,– выбивание электронов, образование ионов и свободных радикалов. Главное в этом эффекте лазерного луча принадлежит мощным электромагнитным полям. Действие поля сказывается лишь непосредственно в пределах облучаемых участков и в сочетании с нелинейным двуфотонным взаимодействием порождает фотоэлектрический эффект, хотя энергия каждого в отдельности кванта для этого недостаточна. Поэтому мощному излучению рубинового лазера оказываются присущи некоторые биологические эффекты, наблюдавшиеся ранее только при воздействии рентгеновских и гамма-лучей,– возникновение свободных радикалов и вследствие этого – изменение структуры отдельных азотистых оснований ДНК, появление мутаций и т. п. Под влиянием нелинейных эффектов возможно изменение прозрачности сред глаза и отсюда появление в стекловидном теле пузырьков газа (очагов локального испарения в участках пониженной прозрачности), а со временем – и помутнения хрусталика, так называемой катаракты.
При импульсном режиме работы лазеров в облучаемом веществе нередко образуются механические колебания атомов и молекул. Когерентное импульсное излучение как бы раскачивает молекулы, и они начинают колебаться с ультра– и даже гиперзвуковой частотой. Образующиеся при этом упругие волны распространяются в живой ткани гораздо дальше и глубже, чем проникают световые волны, усиливают действие лазера и делают его более распространенным.
Кожа и другие ткани организма имеют сложную структуру; они состоят из слоев клеток различного строения, обладающих разными механическими свойствами. При прохождении ультразвуковых волн молекулярные и клеточные слои колеблются, резонируют неодинаково. Поэтому между молекулами биополимеров, между клеточными слоями возникают микроскопические разрывы, просветы, полости. Это явление называется кавитацией (от латинского кавитас – полость). Разрывы возникают на очень короткое время (ничтожные доли секунды), но сопровождаются определенным нарушением структуры и функции живой ткани.
Очень большое значение имеет присутствие в клетках пигмента. Беспигментные клетки почти не поглощают лучей рубинового и неодимового лазеров (наиболее распространенных и в основном использующихся пока в биологии и медицине) и потому мало чувствительны к ним. Луч, прожигающий отверстие в стальном листе толщиной 1—5 мм, не вызывает никаких заметных повреждений в клетках кожи, лишенных пигмента. Но присутствие гранул меланина делает клетку особенно «привлекательной» для луча лазера, и в крохотный промежуток времени такая клетка испаряется, исчезает, тогда как ее беспигментные соседки остаются невредимыми. В белой незагоревшей коже луч лазера проникает поэтому на большую глубину и больше рассеивается, не давая сильного местного поражения. Имеет значение и степень кровенаполнения ткани. Прилив крови облегчает поглощение лазерного луча гемоглобином; страдают при этом в первую очередь клетки крови, а также стенки сосудов.
А теперь познакомимся непосредственно с картиной лазерного поражения живой ткани. Ожог и мгновенное испарение части вещества кожи в месте падения лазерного луча завершаются образованием кратерообразного углубления. Дно кратера обожжено, покрыто тонким слоем сухой омертвевшей ткани. Все произошло в считанные доли секунды. Но случившееся – не конец, а начало процесса. Мгновенное испарение вещества, закипание жидкостей тела вызывает быстрое и резкое повышение давления в клетках облученной ткани. Как волны от упавшего в воду камня, во все стороны от облученного участка распространяется ударная волна. Чем меньше продолжительность лазерного импульса, тем более мощная волна распространяется по ткани. Обычно она не вызывает серьезных повреждений. Но если ударная волна распространяется внутри замкнутой полости – черепа, грудной, брюшной – она вызывает более или менее сильный ушиб мягких тканей (мозга, легкого, сердца) о твердые костные стенки полости. Возникают кровоизлияния.
Если лазерный импульс большой мощности проникает внутрь глаза (оболочка глазного яблока достаточно жестка), происходят частичное испарение стекловидного тела с образованием пузырей в нем, кровоизлияния в сетчатку и ее отслойка, а при особо мощной ударной волне – даже разрыв глазного яблока. Лазерный импульс, упавший на лобную кость мыши, вызывает мгновенную гибель в результате ушиба мозга ударной волной и массивных кровоизлияний. В то же время кожа лба, кость остаются неповрежденными. У более крупных животных лобная кость толще, и мозг не повреждается.
Другой фактор распространения лазерного поражения – ультразвуковые упругие колебания. Степень их опасности и особенности действия изучены недостаточно.
Итак, можно говорить о двух основных формах взаимодействия лазерного луча с живой тканью. При большой концентрации лучистой энергии на первый план выдвигается чисто тепловое действие – ожог, испарение, выгорание ткани. В этом случае длина волны лазерного излучения значения не имеет. При нефокусированном облучении в малых дозах основное значение имеет избирательное поглощение лучистой энергии теми или иными хромофорными группами. При этом лучи разной длины волны поглощаются разными веществами ткани и вызывают различные биологические эффекты. Однако в обоих случаях главные события разыгрываются в клетках, снабженных пигментом или иным хромофором. Белки и нуклеиновые кислоты – основные компоненты живых тканей – непосредственно не поглощают излучения рубинового и неодимового лазера. Чтобы возник биологический эффект, необходимо присутствие фотосенсибилизатора – красителя, переносящего поглощенную энергию света на молекулы биополимеров. И там, где такой посредник имеется, эффект лазерного луча сильнее и развивается при значительно меньших дозах облучения. Вот почему легко разрушаются в поле лазерного облучения красные клетки крови – эритроциты, пигментированные клетки кожи, клетки печени, а беспигментные клетки способны переносить без ущерба воздействие весьма значительных количеств лучистой энергии.
Глаз и кожа под лучом лазера
Глаз – наименее защищенный, наиболее уязвимый орган в условиях лазерного воздействия. Проникший внутрь глаза лазерный луч беспрепятственно проходит прозрачные среды глаза, которые фокусируют его (как и любой луч) на сетчатку. Фокусирующие свойства глаза создают в определенной точке сетчатки очень большую плотность лучистой энергии, даже если луч лазера маломощен и попадает в глаз не прямо, а будучи отражен от стен, предметов и т. п. Основные слои сетчатки также почти совершенно прозрачны для лучей лазера. Но внутренний, пигментный слой полностью их поглощает. В точке на сетчатке, где фокусируется свет лазера, пигментный эпителий и слой светочувствительных палочек и колбочек мгновенно выгорает, оставляя после себя плоский белый рубец диаметром около 1 мм (погибшие клетки замещает соединительная ткань). Одно-два таких пятнышка, особенно если они локализуются не в области желтого пятна, быть может, и не окажут серьезного влияния на функции зрения. Но при повторных ожогах число таких участков возрастает, и постепенно может наступить слепота.
При ожоге сетчатки часть ее вещества испаряется; в этом случае также образуются пузырьки, которые нарушают зрение еще больше, чем локальные повреждения сетчатки. На радужной оболочке, содержащей пигмент, при попадании луча также возникает участок омертвения, замещающийся в дальнейшем рубцом из соединительной ткани. Рубец вызывает сужение зрачка или изменение его формы. Могут образоваться и сращения между радужкой и роговицей или хрусталиком. При попадании луча на склеру поражаются сосуды из-за поглощения лучей гемоглобином. Образуются тромбы или кровоизлияния.
Инфракрасное излучение неодимового лазера в большей степени поглощается прозрачными средами глаза и при многократном воздействии может вызвать катаракту. А длинноволновое излучение углекислотного лазера может привести к ожогу роговицы и конъюнктивы, к обгоранию ресниц.
Учитывая все сказанное выше, следует помнить, что при работах с лазерными установками наиболее важно защищать глаза. Ни при каких условиях не следует смотреть на лазерный луч. Для уменьшения опасности воздействия отраженного света необходимо устранить в соответствующих лабораториях и цехах всякого рода зеркальные, гладкие поверхности. Стены, потолки и приборы должны быть покрашены матовой, поглощающей лазерные лучи краской. Персонал должен пользоваться защитными очками, помня при этом, что каждый тип лазеров отличается особой спектральной характеристикой и требует особых защитных стекол.
Кожа – гораздо менее чувствительный к действию света орган, чем глаз, самой природой созданный для защиты тела от разнообразных вредных воздействий. Однако не все защитные механизмы кожи в полной мере выполняют свое назначение в условиях лазерного облучения. Меланин – универсальный защитный барьер против любого лучистого перегрева – в этом случае играет обратную роль. «Принимая огонь на себя», он резко увеличивает чувствительность клеток кожи к лазерному воздействию. Однако в некоторых случаях и эта особенность пигментных клеток находит себе применение. Так, лазерный луч оказался идеальным средством удаления татуировок: выжигая пигмент, он оставляет в неприкосновенности клетки кожи. А при лечении пигментных опухолей кожи – меланом – и сосудистых опухолей – ангиом – лазерный луч ведет себя, как самый осторожный, бережный хирург, не задевающий ни одной здоровой клетки.
Если кожа белая, незагоревшая, луч лазера может вызвать в ней серьезные изменения, лишь достигнув сосочкового слоя кожи с его сосудами. Луч аргонового лазера особенно хорошо поглощается гемоглобином. Но если увеличивать дозу облучения, то можно, конечно, достичь предела устойчивости даже белой кожи. Он разный при различной продолжительности импульса, фокусировке лучей, спектральном его составе. Но концентрация энергии порядка 30—50 дж/см2 уже вызывает ожог первой и второй степени, а с увеличением дозы – третьей и четвертой.
Первыми научились использовать чудесный луч офтальмологи – специалисты по глазным болезням. Отслойка сетчатки – один из самых страшных недугов, обычно заканчивающийся слепотой. Причина отслойки – чаще всего кровоизлияние в расположенной глубже сосудистой оболочке. Сетчатка, лишенная привычной связи с подлежащими слоями и нормального питания, погибает. Последним словом лечения отслоек сетчатки в долазерный период было использование мощных световых вспышек. Сконцентрированная специальным рефлектором вспышка ксеноновой лампы вызывала очаговый ожог сетчатки, как бы «приваривала» ее к глубже лежащим слоям. Серия таких рубцов по периферии отслоившегося участка прекращала кровоизлияние и возвращала сетчатку на место. Но использование ксеноновой лампы вызывало боль и неприятные ощущения в глазу, да и процедура была длинной, зрачок от яркого света сокращался, и после каждого импульса нужно было делать перерыв.
С помощью лазера совершилась революция в лечении отслоек сетчатки. Каждый импульс лазера столь краток, что ни боли, ни сокращения зрачка не наступает. Лечение стало безболезненным, гораздо более эффективным и быстрым. Лазерный луч успешно применяется и для разрушения небольших пигментных и сосудистых опухолей глаза. Иногда с его помощью прожигают отверстие в радужной оболочке – чтобы заменить зрачок, закрытый рубцом. Пионерами применения лазера в лечении глазных болезней в СССР стали сотрудники Института глазных болезней им. В. П. Филатова в Одессе во главе с членом-корреспондентом АМН СССР Н. А. Пучковской.
Весьма заманчива для хирургов идея «лазерного ножа». Разрезы тканей световым ножом уже не раз производились на подопытных животных. Очень важно, что луч аргонового лазера, чаще всего используемый в этих исследованиях, вызывал мгновенное закрытие просвета разрезанных кровеносных сосудов сгустками свернувшейся крови. Нож, который сам останавливает кровотечение,– это ли не мечта! Детали бескровной хирургии, наиболее удобные конструкции лазерного ножа изучаются доктором медицинских наук Б. М. Хромовым в Ленинграде.
Особенно перспективным кажется использование лазерного ножа для удаления злокачественных опухолей. Пигментные опухоли – меланомы наиболее удобны для таких операций. Но и беспигментные опухоли могут разрушаться под лучом, если в них предварительно ввести краситель – метиленовый синий, янус зеленый, малахитовый зеленый и т. п. Чем интенсивнее и глубже окрашивается опухоль, тем легче и быстрее она разрушается.
В Киевском институте проблем онкологии АН УССР под руководством академика АН УССР Р. Е. Кавецкого создано отделение лазерной терапии опухолей, где уже накоплен немалый опыт клинического применения лазеров в онкологии. Ведутся исследования в этом направлении также в Москве, в Институте онкологии им. А. А. Герцена и в Институте экспериментальной и клинической онкологии. Пока лазер используют для лечения поверхностно расположенных опухолей, в основном кожных. Но медики готовятся к применению лазерного луча при операциях на мозге и печени.
Лазеры найдут применение также и в стоматологии. Лазерный луч может очень быстро и, главное, безболезненно вскрывать полость больного зуба, избавляя больного от неприятной встречи с бормашиной. Лазерный импульс так короток, что ощущение боли просто не успевает развиться. Особенно удобно пользоваться лазером при лечении кариозных зубов, при удалении пломб и коронок. Наконец, луч может сделать зубы более устойчивыми к кариесу, сплавляя в одно целое элементы зубной эмали. Время внедрения лазеров в стоматологию настало. Уже проведены (и у нас, и за рубежом) эксперименты на зубах животных и удаленных человеческих, разработаны конструкции, обеспечивающие безопасное подведение лазерного излучения в полость рта больного. Лазер, очевидно, станет новым эффективным орудием в руках врача.
Взгляд в будущее
В наше время писателям-фантастам особенно трудно. Наука, техника, производство шагают вперед столь быстрыми темпами, что-то, что вчера казалось неосуществимой мечтой, миражем, волнующим воображение, сегодня становится обыденной деталью заводского пейзажа или хирургической операционной. Алексей Толстой не дожил до создания гиперболоидов. Мечты современных писателей становятся реальностью несравненно быстрее.
Первый лазер был построен в 1960 г. А сегодня нет отрасли человеческой деятельности, где бы он не нашел применения или не планировался для использования. Завтрашний день лазерной связи – это не только увеличение диапазона частот, но и объемное цветное телевидение и кино (на основе голографии)^ и гигантские многометровые дневные телеэкраны, и использование лазерного луча в качестве звукоснимателя. Завтрашний день лазерной энергетики – это гигантские термоядерные реакторы с лазерным подогревом плазмы, и передача энергии без проводов, и заоблачные космические электростанции.
Будущее лазерной биологии и медицины – это тончайшие операции на хромосомах и отдельных генах (ведь диаметр лазерного ножа можно довести до десятой доли микрона!), способствующие выведению новых сортов растений, новых пород животных с нужными свойствами. Это управление процессами жизнедеятельности, лечение многих болезней, оздоровление организма путем подбора лазерных лучей нужной длины волны. Но самые яркие, неожиданные возможности использования чудесного луча еще впереди.
Вместо заключения
На страницах этой книги мы познакомились с природой света, составом и свойствами солнечных лучей, оценили силу и разнообразие их воздействий на живые существа. Не зря солнечный луч называют животворным: Земля стала колыбелью жизни, родным домом человечества в огромной мере благодаря солнечному теплу и свету. Не только зарождение жизни, но и весь длинный и сложный путь ее развития связан с постоянным использованием лучистой энергии Солнца, с воздействием потоков частиц солнечного вещества, магнитных и электрических процессов па Солнце.
С развитием жизни на Земле, с усложнением форм ее организации связь жизни с Солнцем становится все более многообразной. И видимые, и невидимые лучи Солнца участвуют в повседневной жизни земных растений и животных: освещают их и согревают, снабжают недостающими веществами, служат средством познания окружающего мира, увеличивают сопротивляемость живых существ невзгодам, изменяют наследственные свойства организмов, очищают воздух и воду от микробов.
Но есть еще один вид связи между земной жизнью и Солнцем, еще одно направление вмешательства солнечного луча в процессы жизнедеятельности – влияние на ритмику жизненных процессов.
Все реакции обмена веществ, все физиологические функции организмов осуществляются ритмически, волнообразно: периоды деятельного состояния сменяются периодами относительного покоя. В жизненном цикле каждой клетки период ее деятельности, процесс производства определенных ферментов, гормонов, антител и тому подобных веществ сменяется периодом синтеза нуклеиновых кислот, а затем – периодом клеточного деления. Свои физиологические ритмы можно обнаружить в деятельности сердца (сокращения и расслабления сердца складываются в закономерный пульсовой ритм), легких (чередование вдохов и выдохов), желудочно-кишечного тракта (выделение пищеварительных соков совершается через правильные промежутки времени), центральной нервной системы (периоды сна и бодрствования). Одним словом, все жизненные процессы протекают волнообразно. Частота жизненных ритмов разнообразна: от тысячных долей секунды до нескольких десятков и даже сотен лет (ведь жизнь каждого организма – это тоже период в жизни органического вида, одна волна синусоиды). А самые кратковременные, короткопериодические ритмы наблюдаются в течении некоторых обменных реакций, в работе нервных клеток. На любое однократное воздействие извне (например, на удар или вспышку света) чувствительная нервная клетка отвечает залпом нервных импульсов. Величина их одинакова, а количество возрастает с увеличением силы раздражения; продолжительность же каждой волны измеряется тысячными долями секунды.
Согласно глубокой мысли выдающегося отечественного физиолога Ивана Петровича Павлова, волнообразность проявляется во всех тех случаях, когда борются противоположные процессы. Действительно, взаимодействие полярных сил обнаруживается в каждой физиологической функции. В деятельности нервной системы – это процессы возбуждения и торможения. Единство противоположно направленных сил, волнообразные колебания физиологических функций вокруг какой-то средней, нормальной величины – замечательное, единственное в своем роде качество жизни. Оно обеспечивает очень точную и чувствительную регулировку функции организма, ее приспособление к условиям существования, к потребностям живого существа в каждый данный момент. Малейшее изменение соотношения полярных сил проявляется существенным сдвигом функции организма в сторону усиления или ослабления. Контролировать функцию легко: управляющий механизм может вызывать изменения любой степени с помощью минимальных воздействий.
Направление сдвигов жизненных функций, иногда в сторону усиления, иногда в направлении ослабления имеет в сущности одну цель – приспособление к волнообразно и периодически изменяющимся условиям существования. Все живое на Земле существует и подчиняется двум основным ритмам, связанным с вращением Земли вокруг своей оси (смена дня и ночи) и вокруг Солнца (смена времен года). Суточный и годовой ритмы сопровождаются изменениями длительности и силы солнечного сияния, колебаниями температуры, влажности воздуха, направления и силы ветров и т. п., оказывающими весьма существенное влияние на жизнедеятельность организмов. Поэтому уже для первых, самых просто устроенных живых существ насущной жизненной потребностью было согласование своих внутренних ритмов с внешними, природными ритмами. Индивидуальная жизненная программа строилась так, чтобы периоды активной жизнедеятельности и размножения происходили в благоприятный сезон природных условий. В период, когда условия для жизни малопригодны, жизнедеятельность ограничивалась, чтобы снизить опасность для отдельных живых существ.
Чтобы это стало возможным, организмы должны были с самого начала «работать по графику» – подчинять жизненные процессы очень строгому и совершенно точному ритму, совпадающему с ритмом физических процессов на земной поверхности. Осуществить это можно было двумя принципиально различными путями. Либо жизнедеятельность каждого живого существа должна на протяжении всего его существования постоянно контролироваться земным хронометром – сверяться с ритмом геофизических процессов, синхронизироваться с колебаниями какого-то одного существенного физического фактора, например светового, температурного, барометрического. Либо каждый организм вырабатывает собственную систему отсчета времени – внутренние биологические часы, которые нужно лишь периодически сверять с ритмом земного хронометра.
Наука еще не сделала окончательного выбора между этими возможностями. До сих пор не установлено точно, пользуются организмы внутренними или внешними часами. Американский ученый Ф. Браун считает, что магнитное и электрическое поле Земли, изменяясь в течение суток и на протяжении года, играет роль датчика времени для биологических ритмов, обеспечивает отсчет времени организмами. Советский биофизик А. С. Пресман, разделяющий эту точку зрения, подчеркивает, что источником информации о суточном ритме в природе могут служить суточные колебания интенсивности космических лучей, электрического и магнитного поля Земли, радиоизлучения Солнца. Многочисленные опыты показывают, что организмы, помещенные в условия постоянного освещения, температуры, давления и т. п.,– упорно и длительно продолжают сохранять суточную периодичность функций и процессов. По мнению Ф. Брауна, слабые колебания магнитного и электрического полей выполняют роль внешних часов, перенося внутрь организмов, живых клеток информацию о суточной (и годичной) динамике процессов в земной природе.
Однако подавляющее большинство специалистов по биохронометрии придерживаются противоположной точки зрения; они предполагают существование в клетках и живых организмах собственных, внутренних биологических часов. Этот вывод опирается на большой исследовательский материал. Если инфузорию, устрицу, таракана или фасоль поместить в специально созданные условия постоянной температуры, влажности, освещения и длительно исследовать у них ритмику жизненных процессов, выясняется одно любопытное обстоятельство. Ритмичность функций и процессов действительно сохраняется длительно. Но эти ритмы лишь приблизительно совпадают с суточным ритмом в природе. Даже у организмов одного вида, у близких родственников эти ритмы не одинаковы и чаще всего отличаются от 24-часовой периодичности земных суток. В условиях полной темноты у одного из тараканов период колебаний может быть равен 23 часам, у второго – 26 или 28 часам. Эти ритмы получили название околосуточных, или циркадных.
Индивидуальная частота колебаний сохраняется очень стабильно. Можно ли ее нарушить, изменить? Оказывается, можно. Если темноту камеры, где содержатся подопытные «живые хронометры», прорезать на тысячную долю секунды лучом света, произойдет неожиданное. Независимо от того, в какое время суток произошла световая вспышка, «заключенные» принимают ее за точку нового отсчета времени, за начало циркадного цикла. И все живые организмы (тараканы, мухи, растения и т. п.), длительно пребывавшие в темноте и обладающие своими собственными, индивидуальными часами, спешащими или отстающими по сравнению с временем суток, как бы подводят свои часы, устанавливают их заново. Все начинают использовать световую вспышку как точку отсчета времени. Иными словами, свет в этом опыте играет роль синхронизатора жизненных процессов, индивидуальных циркадных ритмов, роль сигнала точного времени для всех биологических часов. Отсчет от нулевой точки каждый организм ведет, пользуясь индивидуальным циркадным ритмом.
Большинство ученых истолковывают эти данные так. Очевидно, каждый организм имеет свои внутренние, наследственно обусловленные биологические часы, свой личный циркадный ритм, в пределах которого фазы деятельности и покоя, возбуждения и торможения автоматически сменяют друг друга. У каждого организма ритмы различных процессов либо совпадают, либо скоординированы так, что на протяжении периода одного ритма укладывается целое число периодов другого ритма. Иными словами, в каждом живом существе имеется целая иерархия ритмов, подчиняющаяся одному главному (циркадному) ритму. Более частые колебания выглядят при этом как мелкая рябь па поверхности крупных волн. А главный, циркадный ритм все время как бы проверяется, корректируется сигналами из внешней, природной среды, оповещающими о длине земных суток.
Существование биологических часов признается не всеми учеными. Однако ясно, что, если они существуют, точность их хода, их увязка с колебаниями физических условий на Земле, их синхронизация и «завод» осуществляется светом, солнечным лучом. Ни температура, влажность или скорость ветра, а именно свет, переходы от дня к ночи и обратно, ежедневный ритм освещения постоянно закручивает пружину жизни, проверяет точность хода биологических часов.
Ну, а если живые существа своего механизма отсчета времени не имеют? Тогда роль Солнца в регуляции жизненных процессов еще больше. В этом случае Солнце прямо, своим световым излучением, или косвенно, через изменение параметров электрического и магнитного поля Земли, вносит порядок, временную организацию в течение жизненных процессов, выполняет роль уже не синхронизатора, а регулятора биологических процессов.
Окончательное решение вопроса о природе и месте расположения биологических часов – впереди. Но уже сегодня можно дать научное объяснение устройству внутриклеточного механизма отсчета времени. Очевидно, самым первым клеточным ритмом было чередование периодов синтеза, самоудвоения молекул ДНК. Это единственные молекулы, способные к самоудвоению, и повторение циклов их воспроизведения могло служить первичным способом отсчета времени. Роль биологических часов могут играть и другие циклические внутриклеточные процессы, отличающиеся короткой периодичностью. Некоторые ученые придают главное значение энергетическим процессам (зарядке и перезарядке клеточных мембран), физическим колебаниям типа объединения молекул в комплексы и их разъединения, движениям частиц в протоплазме, разнообразным химическим реакциям. Известно, например, что многие внутриклеточные реакции обмена веществ замедляются и приостанавливаются, когда накапливается большое количество конечных продуктов этой реакции. Механизм отрицательной обратной связи обеспечивает волнообразное течение биохимических реакций, ритмичное колебание их активности вокруг средней величины. Такие реакции пригодны для отсчета времени.
Каждая клетка обладает подобного рода биохимическими хронометрами. У одноклеточных и растений этим дело ограничивается. У животных же образуется одна какая-то группа клеток, берущая на себя роль ведущего регулятора ритмов, главных часов организма. У млекопитающих и человека такой «пульт управления» ритмами расположен, по-видимому, в подкорковых центрах мозга: зрительном бугре, подбугровой и сетчатой областях и в гипофизе. Суточная периодичность жизненных функций у животных с удаленными полушариями головного мозга сохраняется полностью. Находящиеся в подбугровой области центры углеводного, жирового, водно-солевого обмена, температуры тела оказывают синхронизирующее влияние на все клетки организма через вегетативную нервную систему и железы внутренней секреции, которыми управляет гипофиз. Чем выше уровень организации, тем точнее работают биологические часы, ближе циркадный ритм к суточному, тем труднее его сдвинуть.
Наряду с циркадным ритмом существуют и более продолжительные жизненные циклы, зависящие от изменения длительности и силы освещения. К их числу относятся лунные, годичные ритмы и приливно-отливные ритмы, присущие многим обитателям прибрежных вод. По-видимому, в этих случаях единый механизм отсчета времени; одинаков и регулятор, и синхронизатор – свет. У растений свет воспринимается листьями, у животных – светочувствительными клетками кожи и сетчатки глаз.
Сезонные колебания освещения, температуры, влажности имеют чрезвычайно важное значение для всех органических видов, так как с ними увязывается цикл размножения организмов. Приспособленность живых существ к земным условиям жизни выражается, в частности, в том, что они выводят потомство, приступают к цветению и плодоношению в строго определенные, наиболее благоприятные для этого периоды. Растения короткого дня зацветают в период, когда длительность светового дня уменьшается, т. е. осенью. Растения длинного дня зацветают весной, на фоне удлиняющегося светлого времени суток. Под влиянием света в молодых зеленых листьях вырабатываются гормоны, способствующие зацветанию.
У животных с увеличением длительности дня тоже усиливается деятельность желез внутренней секреции, особенно половых, что благоприятствует весеннему размножению. Рождение потомства в этом случае приходится на теплое время года, и к наступлению холодов молодняк успевает обычно «стать на собственные ноги».
Итак, все живое на Земле, все жизненные процессы в теле бактерий и высших растений, инфузорий и человека совершаются ритмично, волнообразно. Каждый живой организм – это система, иерархия взаимодействующих, скоординированных, соподчиненных ритмов, от короткопериодических (исчисляемых долями секунды, минутами, часами) до суточных, лунных, годичных ритмов. Суточный, циркадный ритм, очевидно, основной из них. Синусоида, волнообразная кривая, описывающая эту суточную ритмику, очень проста. Но на каждом витке кривой, на каждом ее изгибе размещается несколько более мелких волн второго порядка. Более внимательный анализ позволяет выявить и волны третьего, четвертого, пятого порядков – все более мелкую рябь на гребнях волн. Непрерывная соподчиненность ритмов прослеживается и в другом направлении, т. е. суточная волнообразность накладывается на более медленные, но отличающиеся большей амплитудой месячные и годичные волны. В системе волн господствует четкая координация ритмов.
