Биологические часы можно настроить на 25 часов в сутки
Хронобиология — область науки, связанная с изучением биологических часов,— переживает сейчас период подъема. Публикации по этой тематике появляются практически каждый месяц. О последних открытиях в этой области сообщили недавно самые многотиражные научные журналы Science и Nature. Выделение гена биочасов и другие недавние успехи могут внести важный вклад в хрономедицину: увеличить эффект от применения лекарств, помочь в лечении эпилепсии, гипертонии, избавить людей от "сезонной" депрессии. Высказывается даже идея, что можно увеличить суточный ритм до величин, превышающих 24 часа, и таким образом продлить человеческую жизнь.
Биологический маятник
Еще два тысячелетия назад люди обнаружили любопытное явление: ночью фасоль опускает листья, а перед рассветом поднимает. Ученый секретарь Парижской королевской академии наук де Меран в 1729 году сделал следующий опыт: поместил фасоль в темную комнату и наблюдал, что движение листьев продолжается и без изменения освещенности. Днем листья поднимались, хотя в комнате было темно, а ночью опускались. Как листья определяют, что на дворе день или ночь? У них что, есть часы? Или они реагируют на изменение температуры?
Загадка биологических часов мучила исследователей почти три столетия. Сейчас известно, что биологические часы есть в каждой клетке, а в многоклеточных организмах существует иерархическая система часов: часы отдельных клеток управляются часами органа, а часы всех органов настраиваются главными часами организма, расположенными в центральной нервной системе.
Биологические часы эндогенны, то есть они идут сами, их ход не определяется каким-то внешним периодическим процессом — сменой дня и ночи или колебаниями температуры. В постоянных, по всем параметрам контролируемых условиях период внутриклеточных часов не составляет ровно 24 часа. Он может колебаться от 16 до 28 часов — это "циркадный" (околосуточный) период. Эндогенные биологические часы подстраиваются под 24-часовой период земных суток. Но их можно подстроить и под другие периоды — растянуть до 48 часов и сжать до 16 часов. Это делают в экспериментальных условиях, когда изучают, например, условия длительного космического полета или подводного плавания.
Как устроен механизм биологических часов? Для измерения времени нужен какой-то периодический процесс — "маятник" с периодом колебаний порядка секунд. Что служит таким маятником в клетке?
Первый периодический биохимический процесс открыл американский биохимик Бриттен Чанс. Это одна из реакций гликолиза — процесса бескислородного окисления глюкозы, протекающего в клетках нашего тела (сходный процесс, осуществляемый микроорганизмами, называют брожением). Однако гликолиз сильно зависит от температуры и поэтому не годится на роль маятника для биологических часов. Непригодны для этого, как выяснилось, и другие колебательные биохимические процессы. Интерес к проблеме биологических часов на время угас.
Ген времени
Но открытия генетиков вновь пробудили интерес к этому вопросу. В лаборатории К. Питтендрая было впервые установлено существование у дрозофилы гена биологических часов, определяющего циркадную периодичность. Он получил название per (period). Его мутации приводят к наследуемым изменениям хода часов. Аналогичные гены были обнаружены у низшего гриба нейроспоры и у крестоцветного растения арабидопсис.
И вот теперь произошло существенное продвижение в понимании механизмов генетического контроля ритмики живых организмов: впервые были выделены гены биологических часов млекопитающих — мышей и людей.
Последнее удалось осуществить сразу трем исследовательским группам. Две из них независимо поставили перед собой одну и ту же задачу и применили сходную стратегию научного поиска. Это группа из медицинского Бейлор-колледжа в Хьюстоне (штат Техас) под совместным руководством Ченг Чи Ли и Грегора Эйчеля и коллектив японских ученых, координируемый Хадзимой Теи из Токийского университета. Они задались целью найти у человека и мыши гены, похожие по своей структуре на хорошо изученный ген per (period) дрозофилы.
Ген per определяет циркадную периодичность двигательной активности, брачного поведения, вылупления личинок и образования взрослых мух из куколок. Его мутации сокращают или удлиняют протяженность соответствующих периодов.
Поиск исследователей увенчался успехом. Ген, подобный per, был найден и у человека, и у мыши. Это означает, что млекопитающие и мухи унаследовали свои часы от общего для них предка, жившего более полумиллиарда лет назад.
Третья из упомянутых групп — исследовательский коллектив Джозефа Такахаси из Северо-Западного университета в Эванстоне (штат Иллинойс) — тоже выделила ген часов млекопитающих, но уже другой и только у мышей. Они назвали его Clock (часы). Здесь следует заметить, что в часовом механизме дрозофилы функционируют два гена: per и tim (timeless). Показано, что ее биоритмами управляет комплекс из двух белков — продуктов этих генов. Специалисты предполагают, что ген Clock мыши выполняет такую же функцию, как и tim дрозофилы.
Часы под коленкой
Сложный многоклеточный организм может нормально существовать только при согласованности всех своих функций, то есть должны быть "главные" часы, управляющие всеми остальными внутриклеточными часами. Недавно было доказано, что у человека эти главные часы расположены в супрахиазматическом ядре таламуса головного мозга. Наиболее важный гормон, с помощью которого осуществляется "настройка" часов, выделяется эпифизом. Это мелатонин — гормон, который снижает температуру тела, облегчает засыпание и замедляет процессы жизнедеятельности.
Американские исследователи Кэмпбелл и Мерфи показали, что внутренними часами человека можно управлять, воздействуя источником света на довольно неожиданное место — на подколенную область. Нейрофизиологические механизмы этого явления еще до конца не изучены, однако ученые предполагают, что, воздействуя на гормональную систему через светочувствительные кожные пигменты, вспышка света подавляет секрецию мелатонина. Открытие Кэмпбелла и Мерфи сразу же нашло практическое применение при восстановлении нарушенного суточного ритма и лечении зимней депрессии. Воздействуя светом на подколенную область в определенное время суток, можно скорректировать как ненормально позднее, так и слишком раннее засыпание. Симптомы зимней депрессии, причиной которой считается поздний восход солнца и короткий световой день, снижаются при воздействии света в ранние утренние часы.
Разумеется, это не единственная область применения хронобиологии. Изучение особенностей биоритмов дает материал для разработки мероприятий, облегчающих адаптацию в экстремальных условиях, например в космосе или Заполярье. Параметры биологических ритмов — одна из составляющих человеческой индивидуальности. Каждому человеку свойственна своя хронобиологическая норма, или свой хронотип. Различия по ним обусловлены генетически. Учет хронотипов может быть полезен при планировании режима труда и отдыха людей, работающих вахтовым методом.
Медицинскими аспектами биоритмологии занимается хрономедицина. У ее истоков стояли и отечественные медики. Академик АМН генерал-полковник медицинской службы Ф. И. Комаров еще в 60-е годы обнаружил нарушения временной организации функций при некоторых заболеваниях, в частности при гипертонии и язвенной болезни. Подобные отклонения от хронобиологической нормы используются для тонкой диагностики.
Эффективность медикаментозного лечения можно повысить, используя данные о действии лекарств в зависимости от фазы биологических ритмов. Лекарство должно применяться тогда, когда оно дает наибольший эффект, то есть во время максимальной чувствительности к нему организма пациента. В случае гипертонии, бронхиальной астмы, хронических пылевых бронхитов (профессиональная болезнь шахтеров) и некоторых других заболеваний такое лечение в 1,5-2 раза эффективнее традиционного.
Недавние открытия тонких молекулярных механизмов функционирования биологических часов создают предпосылки для непосредственного воздействия на первопричины многих биоритмов. Регуляция потоков ионов кальция может быть положена в основу эффективных методов лечения ряда заболеваний, например эпилепсии и гипертонии. Вмешательство в работу per-подобного механизма позволит изменять и корректировать продолжительность циркадных периодов. Это откроет новые пути для хрономедицины и хроногигиены. Существует, например, идея, что увеличение суточного периода до величин, превышающих 24 часа, может продлить жизнь человека. Возможно, в будущем кто-то решится проверить ее и воплотить в практику.
ОЛЕГ Ъ-КОТОВ