Текст книги "Животные анализируют мир"

Автор книги: Юрий Симаков

сообщить о нарушении

Текущая страница: 8 (всего у книги 16 страниц)

Человек учится концентрировать и удлинять биологическое время

У некоторых индийских фокусников есть удивительный номер. Они берут зернышко лимонного дерева, сажают его в землю, и на глазах у изумленной публики вырастает дерево. Затем на дереве появляется зеленый плод, он желтеет. В естественных условиях для этого необходимо несколько лет на сцене происходит за считанные минуты.

Интересно, а нашли ли биологи концентраторы и ингибиторы времени для живых организмов? Ведь пока мы знаем одно – биологические часы очень трудно разладить колебаниями температуры, только сильное охлаждение может их остановить. Успехи управления живыми часами пока невелики. У некоторых животных можно «подвести» стрелки биологических часов. Вспомним таракана, который делает все не так, как ело сородичи, таракана охладили на двенадцать часов, а затем содержали при нормальной температуре. Его живые часы опять пошли, но стали отставать на полсуток, поэтому он ведет себя необычно в тараканьей семье – все делает с опозданием на двенадцать часов. Можно у того же таракана совсем разладить биологические часы. Достаточно его поместить в условия непрерывного освещения, и он забудет о суточной ритмике, хотя внутренние маятники его часов будут работать.

А вот еще интересный опыт. На этот раз с мелкими лабораторными мушками дрозофилами, вернее, с их развитием. Эти мушки из куколок выходят в предутренние часы, так сказать! с появлением первого солнечного луча. Часы своего развития дрозофилы сверяют с солнечными часами. Попробуем теперь поместить дрозофил в полную темноту. Часы, следящие за развитием, разлаживаются. Мухи начинают выходить из куколок в любое время суток. Однако достаточно секундной вспышки света, чтобы развитие синхронизировать. Вспышку света можно уменьшить даже до 0,005 секунды, и все равно синхронизирующее действие прояви ген. после эшго развитие идет синхронно, и выклев мушек из куколок происходит одномоментно.

Только резкое охлаждение – до О °С и ниже – влечет за собой остановку живых часов. Но это только остановка, стоит отогреть организм, как часы снова пойдут и будут отставать ровно на столько часов, на сколько их остановили. У птиц и млекопитающих, имеющих постоянную температуру тела, часы в норме идут почти в одинаковом темпе. А как быть рыбам, лягушкам и ящерицам – ведь у них не постоянная температура тела, а такая, как во внешней среде? Оказывается, и у этих существ, несмотря на резкие колебания температуры тела, часы идут с одинаковой скоростью.

Неужели только резкие охлаждения и вспышки света могут изменить ход биологических часов? Совсем нет. Существует целый ряд химических веществ, способных влиять на ход живых часов. Ученые установили, что вещества, задерживающие образование информационной РНК, например антибиотик актино-мицин-Д, влияют на ритмику фотосинтеза у водорослей. Спирт явно замедляет биологические часы, иногда суточные ритмы под его влиянием сдвигаются на пять часов. Сходно действуют папаверин и наркотин, правда, замедление ритмов от этих веществ не столь велико, как от спирта.

До этого разбирались только возможности остановки биологических часов ‘либо замедление их работы химическими веществами. А делали ли биологи обратный эксперимент – ускоряли биологическое время или концентрировали его? Может быть, сама природа уже поставила такой эксперимент, и существуют организмы, у которых сконцентрировано время?

Вот коловратка, микроскопическое, но многоклеточное существо. Некоторые виды коловраток живут всего одну‘неделю. За эту неделю у них проходит вся жизнь. Коловратка выводится из яйца, растет и старится, к старости у нее ухудшается зрение, на теле появляются морщины, откладывается жир, а быстрое плавание сменяется неторопливым ползанием. Все признаки старения, а ведь вся жизнь прошла за несколько дней. Коловратки микроскопически малы, размером в десятки микронов, но зато у них есть почти все органы, характерные для многоклеточных животных. Правда, каждый орган состоит всего из нескольких клеток. Глаз, например, из двух клеток: одна клетка – хрусталик, другая – сетчатка.

С какой же скоростью протекают жизненные процессы у коловратки – как у человека или в три тысячи раз быстрее? Именно на эту величину и отличается продолжительность жизней. Не исключено, что время у коловратки сконцентрировано по отношению к нам, людям.

Так как же можно сконцентрировать биологическое время, переместиться в микроскопический мир коловратки с его быстротечностью или же во много раз усилить биоритмику, заставить клетки* делиться быстрее обычного, но соблюдать при этом общую организацию организма?

Экспериментатору, какой бы прибор в его руках ни был, надо стремиться как можно меньше вмешиваться в живую систему и вводить в нее те или другие датчики. Если ввести в клетку электрод или просто приложить его к поверхности, то сигналы о биоритмах будут поступать не от нормальной, а от поврежденной клетки. Прав был Мефистофель у Гёте, высказавший мысль о заколдованном круге в изучении живого:

«Чтобы живое изучить, его сначала убивают, потом на части разрезают, но связи жизненной, увы, там не открыть».

Сама природа дала исследователю прибор, который позволяет следить за временем, протекающим в живой клетке, не внедряясь внутрь ее и сильно не нарушая взаимосвязи с другими структурами. Прибор этот – процесс деления самой клетки, или митоз. Он позволяет следить за жизненным циклом клетки, касаясь ее только световым лучом. Воздействие, конечно, есть, но оно минимально по сравнению с другими методами. Давайте посмотрим, как идет деление клетки у млекопитающих с самого начала развития.

На первый взгляд кажется несколько странным, что слон, человек, мышь и другие млекопитающие, так сильно различающиеся по размерам и по продолжительности жизни, первые шаги на жизненном пути проделывают с одинаковой скоростью.

У всех развитие начинается с одной клетки. Вот и сравним, как оно идет у слона и мыши. Слон живет около шестидесяти лет, а мышь – два-три года. Эмбриональное развитие у мыши составляет двадцать один день, а у слона жизнь до рождения длится шестьсот шестьдесят дней, почти два года. Первые стадии развития у них начинаются с одинаковой скоростью, а как по-разному заканчиваются: слоненок только рождается, а мышь к этому времени прожила почти всю свою жизнь. Может показаться, что биологическое время у мыши бежит быстрее, чем у слона, быстрее начинается деление клеток и развитие заканчивается раньше. Оказывается, это не так. И мышонок, и слоненок, если их на этой стадии можно так назвать, первые семь дней развиваются без связи с материнским организмом через плаценту, и скорость клеточных делений при этом у них одинаковая. Но для слона семь дней развития из шестисот шестидесяти дней почти ничего не значат, а для мыши – это треть всего развития в организме матери. Как надо сконцентрировать время, чтобы за оставшиеся две недели сформировался мышонок, способный жить самостоятельно, вне организма матери? Почему же в первую неделю развития биологическое время у зародышей мыши и слона идет с одинаковой скоростью?

Ученые выяснили этот вопрос. Оказалось, что в этот период у всех зародышей млекопитающих, за некоторым исключением, куда, возможно, попадает человек, биологические часы работают без генной регуляции. Настрой ритмам задают механизмы, полученные еще во время созревания яйцеклетки, а новая программа, сложившаяся после оплодотворения, молчит. Чтобы убедиться в этом, генетики и эмбриологи ставили различные опыты: ядро, где сосредоточен генетический аппарат, выжигали лазерным лучом, облучали смертельными дозами рентгеновских лучей или просто удаляли микрохирургическими инструментами. Однако деление оплодотворенной яйцеклетки не прекращалось и продолжалось до тех пор, пока «завод», полученный еще до слияния со сперматозоидом, не кончался. Но такой зародыш без ядер мог дать только массу клеток. Нужно было набрать эту массу клеток, из которых придется строить органы, а на эту операцию отводилось как бы сконцентрированное время. Операция проста, – дробление или деление клеток, и на нее расходуется весь «завод» пружины биологических часов.

Как только начинается органогенез (строительство органов), то снова заводится пружина биологических часов. Но теперь каждый «завод» делается с осторожностью и не до конца. Вся работа живых часов идет под контролем генетического аппарата. Чем сложнее становится организм по мере развития, тем с большей четкостью гены выдают информацию, следуя строгой временной программе развития. Организм начинает довлеть над клеточным временем и регулировать его. Для этой цели используются и нервная система, и гормоны. Биологическое время при такой сложнейшей регуляции все более и более замедляется и становится минимальным к моменту рождения.

Такое же замедление биологического времени по мере развития можно отметить и у других классов животных. Мне не раз приходилось делать микрохирургические операции на эмбрионах амфибий, и всякий раз в поле зрения возникает картина, поражающая воображение. Получается картина, сходная с тем, что была у факира, выращивающего лимонное дерево. У эмбриона, биологические часы которого еще слабо сдерживаются генетическим аппаратом и гормональными влияниями, раны зарастают прямо на глазах, поврежденная кожа тут же принимает прежний вид. Биологическое время на ранних стадиях развития по отношению к взрослому состоянию сконцентрировано.

А можно ли снять тормоз времени у взрослого организма и заставить его жить быстрее? Может быть, есть такие вещества, которые концентрируют биологическое время?

Вся опасность в этом случае заключается в нарушении биологических часов. Ускорение обмена веществ и деление клеток должны быть гармоничными по отношению ко всему организму, нельзя, чтобы какая-то часть или орган обгоняли по ритмике остальные части организма. Что получается при разлаживании живых часов – обсудим позже.

Существуют способы, позволяющие ускорить обмен веществ и ритмику внутриклеточных систем за счет использования резервов, которые клетки сохраняют на случай опасности. Значит, если дать сигнал опасности, то клетки частично снимут временной тормоз и колебательные процессы в организме пойдут с большей скоростью. Для этого необходимо воздействовать на те гены, которые регулируют скорость химических взаимодействий огромных биомолекул внутри клетки.

Как же можно подать клетке сигнал опасности? В процессе эволюции в клетках выработался механизм, воспринимающий продукты распада, которые получаются от страдающих по соседству клеток как сигнал опасности. Обычно молекулы, сигнализирующие об опасности, однотипны у разных организмов. Они образуются из биомолекул, в первую очередь распадающихся при вредном для организма воздействии. Получив сигнал опасности, биологические часы частично освобождают клетки от генной и гормональной опеки, и клеточные деления увеличиваются как у растений, так и у животных. Вот почему листья алоэ, находящиеся в холодильнике при 4 °C, содержат вещества, способные ускорить клеточные деления и обмен веществ у других организмов. Такие вещества, вырабатывающиеся в тканях животных и растений, подвергнутых неблагоприятному воздействию, назвали биогенными стимуляторами.

Возможно, что в скором времени управление биологическими часами в живых клетках приобретет важное практическое значение. Английская исследовательница Жаннет Харкер провела интересные опыты. Охлаждением она разлаживала биологические часы у тараканов: держала их в холодильнике двенадцать часов. Биологические часы таких тараканов отличались от биологических часов контрольных тараканов тоже на двенадцать часов. Далее Жаннет Харкер сделала сложнейшую микрохирургическую операцию – пересадила подглоточный ганглий (часть мозга таракана), ведающий скоростью живых часов, контрольному таракану. У этого таракана стало два центра, управляющих биологическим временем, но их работа различалась на двенадцать часов. Таракан совсем был сбит с толку, он не мог определить ночь и день, принимался есть, тут же засыпал, но через некоторое время другой ганглий будил его. В результате в кишечнике таракана развилась опухоль, от которой он погиб. Повторные опыты приводили к тем же результатам – разлаживание биологических часов приводило к развитию злокачественных опухолей. Можно ли распространить сделанный вывод на высших животных и человека? Конечно, нет. Нужны тщательные исследования этого вопроса.

Глава седьмая
ЖИВАЯ КЛЕТКА КАК ПРИБОР

Микроскопические приемники и передатчики информации

В микромире действуют свои законы. До этого разговор шел о живых организмах, которые вооружены многоклеточными живыми приборами и мозгом, контролирующим и принимающим информацию от этих приборов. А теперь заглянем в межклеточные взаимоотношения, о которых наш мозг часто ничего и не знает или же не вмешивается в отношения между микроскопическими одноклеточными существами, у которых все живые приборы – это части клеток.

Живые клетки очень подвижны, они делятся, перемещаются, а самое главное – узнают друг друга; причем узнают не только при непосредственном контакте, но и на расстоянии. И это не все. Иногда живым клеткам приходится поддерживать контакт через толстые клеточные пласты – речь идет о дистанционной связи. Трудно даже вообразить, насколько обособленной должна быть такая связь: ведь все клетки, находящиеся между приемником и передатчиком, сами «разговаривают» между собой. Поскольку природа их связи очень близка, здесь между приемником и передатчиком слышатся уже не отдельные «радиопомехи», а сплошной гул сливающихся голосов. И все же и приемник, и передатчик выделяют из этого гула необходимые им сигналы, информация передается, несмотря ни на какие помехи. Ни один созданный человеком приемник не мог бы работать в таких условиях.

А как доказать, что клетки связываются друг с другом и что связь на расстоянии очень надежна? Поместить внутрь клеток какие-то приборы, как уже отмечалось, не представляется возможным. Однако ученые нашли способы раскрытия сокровенных тайн межклеточных связей. Помогли таксисы – сложные процессы ориентации живых клеток под влиянием химических веществ и полей различной природы. Таксис можно сравнить с наведением ракеты на цель, но только самоуправляемой, сходной с той, которая имеет аппаратуру наведения на инфракрасные лучи. Клетка принимает сигнал и движется навстречу передатчику и стыкуется с ним. Бывает наоборот: клетка движется от передатчика и старается избежать его. Если таксис положительный, то приемник должен найти передатчик, и куда бы ни отклонялся в определенных пределах передатчик, он будет найден клеткой, стремящейся к нему. При перемещении передатчика происходит корректировка траектории, принимающей сигналы клетки, как и в случае с самонаводящейся ракетой.

Существует много различных видов связи, один из них – хемотаксис – химическая ориентация живых клеток в пространстве. Он осуществляется с помощью хеморецепторов, расположенных прямо на самой клетке. Лучше всего хемотаксис наблюдать на одноклеточных организмах – инфузориях и амебах. Очень интересно, как они убегают от одних химических веществ и движутся к другим, переходят из низкой концентрации в высокую или наоборот. Подобные «крупные» клетки помогают нам представить себе, как и в нашем организме движутся, используя хемотаксис, различные макрофаги, нейтрофилы, базофилы, моноциты и лимфоциты, то есть клетки, относящиеся к белой крови, призванные защищать организм от непрошеных вселенцев.

Исследования показывают, что хеморецепторы очень чувствительны к изменению химического состава вещества вокруг клетки. Часто они ощущают буквально считанные ионы, присутствующие в водной среде или в крови.

Кто бывал на море ночью, тот мог видеть слабый мерцающий свет. Это светятся одноклеточные организмы – ночесветки. Стоит только стукнуть веслом по воде, как свечение становится значительно интенсивнее, вода в этом месте вспыхивает голубоватым светом. Это ночесветки в ответ на механическое раздражение как бы зажигают свои клетки – фонарики. Таким же свечением они отвечают на самое незначительное повышение ионов натрия или сахара в воде. Их хеморецепторы – тончайшие анализаторы химических соединений. Они редко ошибаются. Правда, бывают и ошибки, но в основном тоже по вине действия химических веществ. Как-то один ученый хотел добавить раствор сахара в пробирку с ночесветками, но ошибся и капнул этиловый спирт. Концентрация получилась невысокая, и ночесветки даже внешне не изменили своего поведения. Но зато потом ни соль, ни сахар уже не вызывали у них вспышек.

Опыты говорят об очень тонком механизме хеморецепции, да к тому же еще с передачей информации другим клеткам. Ведь вспышка ночесветок при введении в воду химических веществ – это перевод химического языка на электромагнитный – световой. Загоревшийся фонарик – сигнал соплеменникам об изменении состава химических соединений в водной среде, предупреждение о возможной опасности.

Насколько тонко настроены клетки на дистанционную химическую связь, насколько ничтожные количества вещества-сигнала воспринимаются отдельными клетками на значительном расстоянии, показывает пример с миксомицетами. Миксомицеты – это слизистые грибки. Их можно встретить на старых пнях. Пройдет мимо пня человек, наступит сапогом и даже его не заметит. А вот биологи его давно заметили. Очень уж поразительно его свойство как бы рассыпаться на отдельные клетки и снова собираться в многоклеточный организм. В систематике животного мира некоторые ученые его так и относят к колониальным амебам. Сначала клетки миксомицета, как самые обыкновенные амебы, ползают по земле. Но есть среди ползающих амеб миксомицета – диктиостелиума, та, которая по неизвестным пока причинам подает химический сигнал, приказывающий всем клеткам собраться вместе, построить ножку грибка и похожий на лимон спорангий. Совсем недавно сигнальное вещество диктиостелиума было загадочным, и его называли просто акразин. Теперь ученые знают, что привлекающее вещество представляет циклический аденозинмонофосфат, секретируемый самими клетками-амебами. Из сложного букета ароматов прелой почвы и запаха множества цветов амебы выбирают посланный им сигнал и движутся точно по направлению клеток, призывающих к сбору остальных соплеменников. Для нахождения верного пути нужны самые незначительные количества циклических аденозинмонофосфатов. Если амебам поставить на пути перегородку, они будут форсировать ее, взбираясь одна на другую, и дойдут до сборного пункта. Даже «пропасть» не остановит их. Экспериментаторы поместили клетки, образующие центр агрегации, на одном стекле, а значительную часть амеб, движущихся к месту сбора, – на другом и оставили между стеклами промежуток не больше миллиметра. Для амеб миксомицета это, конечно, была бездонная пропасть. Пойдут ли они к клеткам, основательницам колонии? Пошли. Сцепившись, они смогли перекрыть разрыв между стеклами. Образовали «живой мост», а по этому мосту двигались все остальные. Затем и мост сам, разбираясь поклеточно, переполз через пропасть, и клетки заспешили за перебравшимися ранее амебами, чтобы слиться и образовать многоклеточный организм – маленький грибок на тонкой ножке.

Не менее интересно поведение клеток и их ориентация в электрическом поле – гальванотаксис. Если посмотреть в микроскоп на каплю воды с инфузориями, то можно увидеть, как они движутся во всех направлениях с помощью покрывающих. их тело ресничек. Стоит опустить в каплю воды два микроэлектрода – катод и анод – и приложить к ним напряжение, как что-то непонятное происходит с инфузориями. Во-первых, они все направляются к положительному электроду – аноду. Во-вторых, их движение будет очень странным – задом наперед. Оказывается, электрическое поле приводит к тому, что биение ресничек инфузорий меняется на противоположное. Инфузории стремятся убежать от губительного для них положительного электрода, а в действительности приближаются к нему. Если же электрическое поле слабое, то инфузории предпочитают двигаться к отрицательному электроду.

Другие живые клетки тоже стремятся двигаться к катоду. Поэтому амебоидные клетки, которые передвигаются путем переливания частей своего тела в ложноножки, уже не пойдут к положительному полюсу. Но ведь амебоидным движением пользуются не только свободно живущие амебы, а большинство клеток в развивающемся зародыше, когда нужно перегруппировать «кирпичики», составляющие основу строящихся органов. Растущие структуры, как оказалось, заряжены отрицательным электричеством. Поэтому к ним устремляется поток клеток, заряженных положительно, и они принимают участие в развитии того или иного органа. В некоторых случаях клеткам нужно связаться через клеточные пласты других органов. Как это они делают – узнаем несколько позднее. Ведь живые клетки пользуются не только статическим электричеством, их живые приборы способны улавливать и электромагнитные поля.