История хронобиологии
И почему ее так неудачно назвали
Хронобиологию правильнее было бы назвать биоритмологией. Но случилось так, что это направление научных исследований выделилось в отдельную научную дисциплину в те самые годы (начало 60-х годов прошлого века), когда у всех на слуху была лженаучная идея трех биоритмов (по-английски biorhythms — биоритмы).
Эти три биоритма, гласила лжетеория, возникают при рождении человека и на протяжении всей его жизни сохраняют три разных периода — 23, 28 и 33 дня. Когда через определенные, легко рассчитываемые промежутки времени фазы этих биоритмов совпадают, наступает критический день. Во избежание несчастного случая следует соблюдать максимальную осторожность в такой день. Дабы никто не подумал ассоциировать серьезных ученых с этой лженаучной идеей, одни из них предпочли использовать термин «хронобиология», а другие продолжили называть это научное направление тремя словами: «исследование биологических ритмов».
Правда, в последнее время все чаще используется еще один, более узкий термин — «циркадианная биология». Слово «циркадианный» означает околосуточный. Соответственно, циркадианные ритмы — это ритмы с околосуточным периодом. Термин призван подчеркнуть тот факт, что эти ритмы порождает сам живой организм, а потому период этих собственных ритмов у него хоть и близок к, но не равен точно 24 часам.
Экспериментальные исследования в области циркадианной биологии возникли почти три столетия назад именно благодаря открытию этого удивительного явления — способности организма сохранять свои околосуточные ритмы при отсутствии естественных 24-часовых колебаний света и темноты. В 1729 году член Французской королевской академии наук астроном Демэр (1678–1771) поместил на несколько суток в шкаф горшочек с мимозой, которая, как известно, раскрывает свои листья на свету и закрывает их в темноте. К его удивлению, при полном отсутствии периодичности освещения в шкафу растение продолжало как ни в чем не бывало периодически раскрывать и закрывать листья. Демэр сделал, как впоследствии оказалось, неверный вывод, что мимоза «чувствует» Солнце, не видя его.
Правда же состоит в том, что у организма есть собственные часы, которые «тикают» чуть быстрее или чуть медленнее, чем солнечные. При наличии внешней 24-часовой периодичности, задаваемой Солнцем, эти часы будут «тикать» в такт с солнечными, а при отсутствии станут слегка спешить или слегка отставать. Организмы нуждаются в таких часах из-за того, что вращение Земли вокруг своей оси происходит с периодом, равным суткам. Такое вращение приводит к суточным колебаниям освещенности на большей части планеты, а вслед за этими колебаниями возникают колебания температуры и других физических факторов. Чтобы предвидеть такие колебания (предупрежден — значит вооружен), организмам потребовалось создать в ходе их эволюции собственные часы, по которым каждый орган, каждая клетка и каждая функция организма соизмеряет свою деятельность. Чтобы измерять время суток, человек изобрел часы: сначала появились солнечные часы, потом все остальные. Но задолго до появления человека живая природа создала такие солнечные часы. Поэтому организму человека они достались от его очень далеких предков.
В большинстве своем биологические процессы являются процессами ритмическими, то есть различные события, как правило, повторяются через определенные промежутки времени. Любой сколько-нибудь образованный человек может привести несколько примеров биологических ритмов. Это, например, ритмы сердцебиения и дыхания, цикл «сон — бодрствование» у теплокровных животных, менструальный цикл у приматов, приливные ритмы обитателей мелководья, зимняя спячка у многих видов млекопитающих и т. д. Хотя вдумчивый наблюдатель легко найдет удивительное сходство между самыми разнообразными биоритмами, такие ритмы в основном изучаются разобщенно представителями разных научных дисциплин. Не будет преувеличением сказать, что исследованием колебаний так или иначе занимаются почти все специалисты в области биологических и медицинских наук. Уж слишком разнообразны и вездесущи колебания в животном мире, чтобы их могла охватить лишь одна из этих наук.
Три римских папы хронобиологии
Однако сравнительно недавно — во второй половине XX века — стал оформляться научный язык для описания сходства во всем этом разнообразии биологических колебаний. Такой язык удобно применить к тем ритмическим явлениям, которые представляются широко распространенными, универсальными и наиболее важными (например, для поддержания здоровья и для воспроизводства организма). На примере очень разных живых существ, таких как светящиеся бактерии, грибки, водоросли, цветковые растения, черви, насекомые и позвоночные животные, включая человека, можно изучать общие законы организации живых существ, отдельно взятых органов, тканей, клеток не только в пространстве, но и во времени. Подобные исследования позволяют отвечать на самые общие научные вопросы — например, на вопрос о том, каким образом различные биологические процессы, протекающие в клетке, органе, организме, упорядочены и согласованы во времени между собой и с периодическими процессами в их окружении.
Для постановки таких общих вопросов в начале 1960-х годов появились важные предпосылки. Например, появились данные, позволяющие предполагать, что всякая клетка, орган или организм работают «как заведенные» под управлением собственных внутренних часов. Найти эти часы, понять, как они устроены и как их можно починить при поломке, стало одной из самых интригующих целей биоритмологических исследований.
Кроме того, оказалось, что можно описывать и предсказывать течение различных поведенческих, физиологических и биохимических процессов у самых разных по устройству организмов, пользуясь очень похожими и очень простыми колебательными моделями вроде маятника или песочных часов. Эти модели изучает математическая теория колебаний. А это значит, что наука, использующая такие модели для описания биологических ритмов, может претендовать на статус точной науки. На такой высокий, приближенный к физике статус подавляющее большинство биологических и медицинских наук еще долго не сможет претендовать.
В начале 60-х годов ХХ века несколько ученых, которые, как говорится, были широко известны в очень узком научном кругу, осознали, что изучение биологических ритмов достигло статуса самостоятельного направления медицинских и биологических исследований. Основоположников новой науки полушутя именуют английским словом pope (римский папа). Считается, что таких пап у хронобиологии было три. Два американских ученых, Колин Питтендрих (1918–1996) и Франц Халберг (1919–2013), и один немецкий — Юрген Ашофф (1913–1998).
Иллюстрацией того, как высоко их заслуги перед наукой ценились коллегами из разных научных областей, может служить тот факт, что каждый из них был хотя бы единожды номинирован на Нобелевскую премию.
Ашофф многие годы был членом Нобелевского комитета, и как-то раз в разговоре с ним я затронул эту тему. Мне тогда казалось странным и несправедливым, что премию по физиологии и медицине, которую уже присуждали родоначальникам такой «зоологической» (не физиологической или медицинской) науки, как этология, теперь никак не могут согласиться отдать основоположникам науки, исследующей биологические ритмы (Ашофф считал термин «хронобиология» неудачным, предпочитал говорить «изучение биологических ритмов»). В ответ он рассказал непростую историю с многократным выдвижением на Нобеля римских пап этологии (науки о поведении) австрийца Конрада Лоренца (1903–1989) и голландца Нико Тинбергена (1907–1988). Премию «за открытия, связанные с выявлением форм индивидуального и группового поведения животных» дали-таки, но только в 1973 году, когда инициаторы выдвижений, включая Ашоффа, уже практически перестали надеяться на успех. Открытия же, которые, как считается, привели к возникновению этологии, были сделаны Лоренцом и Тинбергеном намного раньше, еще до начала Второй мировой войны. Так что ко времени их награждения Лоренц успел пройти через советский лагерь для немецких военнопленных и потом стать сооснователем нового института в Сивизене (деревушка под Мюнхеном), а Тинберген успел побывать в роли заложника в нацистском концентрационном лагере и потом перебраться в Англию для продолжения своих научных изысканий.
Папа, который построил дом, институт и бункер
Ашофф возглавлял отдел института, сооснователем которого был Лоренц, отец этологии, науки о поведении. Он возвел здание для возглавляемого им отдела института, дом для себя, а также бункер для исследований на человеке в условиях изоляции от внешних сигналов времени. Он стал родоначальником первых больших научных экспериментов по изучению околосуточных ритмов у людей. Сотни таких многодневных экспериментов в бункере позволили прийти к заключению, что, подобно растениям и животным, которых ранее использовали в такого рода изоляционных экспериментах, люди тоже обладают собственными биологическими часами.
Правда, в этих экспериментах не было учтено, что, в отличие от подопытных животных и растений, участникам бункерных опытов было дозволено при желании включать торшер, создающий тусклое освещение. Только позднее исследователи поняли, что такое «послабление» нарушило «чистоту» этих экспериментов. В конечном счете некоторые различия в свойствах циркадианных ритмов человека и других видов были существенно преувеличены. Например, было недооценено влияние режима чередования света и темноты на биоритмы людей и переоценен период этих околосуточных ритмов в условиях отсутствия такого чередования.
В 1964 году Ашофф организовал летнюю школу в Баварии (Фельдафинг) — была сделана одна из первых попыток унифицировать термины научного биоритмологического описания. Отныне единая терминология позволила специалистам из самых разных областей биологии и медицины общаться на одном всем понятном языке.
По мнению Ашоффа, круг научных интересов научной области изучения биологических ритмов желательно ограничить изучением четырех так называемых циркаритмов. Это те ритмы, для которых подтверждено существование внутренних часовых механизмов, которые возникли в живых существах для того, чтобы приспособить их жизнедеятельность к периодическим изменениям в окружающей геофизической среде. Это биоритмы с периодами, примерно равными:
1) суточному движению Солнца (циркадианный);
2) периодичности приливов, обусловленных лунным притяжением (циркатидальный);
3) циклу смены лунных фаз (циркалунарный);
4) годовому циклу (циркааннуальный).
Папа, который «коллекционировал марки»
Папа Халберг был тем ученым, который придумал добавлять эту приставку «цирка» к названиям ритмов. «Цирка» в ныне общеупотребимом в самых разных языках слове «циркадианный» добавлено с целью подчеркнуть тот факт, что собственный период ритма — околосуточный, то есть необязательно точно равный 24 часам. Публикация, в которой впервые был употреблен этот термин, вышла в 1959 году. Халберг же предложил очень широкий термин «хронобиология» для новой дисциплины.
Несомненно, львиная доля всех исследований хронобиологов направлена на изучение циркадианных ритмов. Примером экспериментов, проведенных на заре возникновения хронобиологии Халбергом, может служить демонстрация зависимости показателей смертности из-за патогенов и вредных веществ от времени суток. В одном из опытов на мышах Халберг использовал возбудитель кишечной инфекции — бактерию кишечной палочки. Смертность мышей оказалась весьма различной в зависимости от времени введения токсина. В утренние часы, когда у мышей заканчивается основной период их активности, погибало 80–95%, в вечерние — это начало основного периода активности — только 510%.
После всеобщего признания представлений о циркадианных ритмах и Халберг, и многие другие исследователи стали публиковать множество статей, демонстрирующих такие ритмы у человека и лабораторных животных. Скажем, они брали для изучения какой-нибудь показатель вроде уровня содержания определенного вещества в крови человека. Измеряли этот показатель несколько раз в день, и, естественно, выяснялось, что уровень показателя определенным образом меняется в течение суток. Результат, полученный по нескольким таким показателям, публиковали в научном журнале. Затем делали публикацию по другой группе показателей, по третьей, по четвертой...
Одно время было принято подсчитывать, сколько разных суточных ритмов было открыто в человеческом организме. Поначалу насчитали примерно сорок, потом больше ста. В конце концов осознали, что взялись считать не с того конца: куда легче сосчитать те показатели, у которых не обнаруживается суточный ритм; их явно меньше, если вообще таковые существуют.
Однажды другой американский римский папа, Питтендрих, съязвил, что Халберг «коллекционирует марки». Он намекнул на известное высказывание Эрнеста Резерфорда (1871–1937), который после получения известия о присуждении ему
Нобелевской премии по химии сказал, что «все науки — это либо физика, либо коллекционирование марок» («All science is either physics or stamp collecting»).
Халберг был последним получателем пожизненной награды от Национального института здоровья за выдающуюся научную карьеру. Это позволяло ему до самой смерти продолжать научные исследования в Хронобиологическом центре его имени при Университете Миннесоты.
Папа, который издал книгу «Биологические часы» (1960)
Если Халберг экспериментировал с биологическими ритмами в области медицины и физиологии человека, то Питтендрих предпочитал проверять верность своих теорий и математических выкладок на животных, таких как, например, плодовая мушка (дрозофила) — самый любимый объект исследований в области генетики.
Он ввел в научный обиход очень важный для понимания функции биологических часов термин entrainment. Его можно перевести как «увлечение» в смысле «увлечь за собой» или «затягивание» в таком же смысле, например, «затягивание в орбиту своего влияния». Это нечто, похожее на синхронизацию, но не синхронизация в привычном смысле. Если между двумя колебаниями с разными периодами, например маятниками, существует некоторое, пусть очень слабое взаимодействие, то они довольно быстро синхронизируются, то есть их периоды становятся равными или кратными друг другу. С точки зрения внешнего наблюдателя, действие такого наружного колебания, как суточный режим освещения на внутренние (циркадианные) часы и действие этих внутренних часов на колебания разных процессов, протекающих в организме, приводит к точно такому же результату. Периоды становятся равными или кратными 24 часам.
Однако световой режим практически не оказывает прямого физического воздействия на часы, а часы практически не воздействуют в физическом смысле на колебания разных процессов организма. Световой режим используется часами лишь как источник информации о времени суток. Он затягивает эти околосуточные часы в орбиту своего влияния, «увлекая» их за собой, давая возможность часам подстроиться под свой ритм. А часы, в свою очередь, сообщают, который час, всем прочим колебаниям, возникающим в организме с околосуточным периодом, «увлекая» их за собой, а значит, и за режимом «свет — темнота», который затянул их в орбиту своего влияния. Эти колебания подстраиваются под ритм часов, подстроившихся под ритм вращения Земли вокруг своей оси. Все колебательные процессы ведут себя как стадо баранов: они видят, что делает вожак, и подстраиваются под его действия, то есть дружно двигаются вслед за ним, не задумываясь, куда он их заведет.
Моментом возникновения хронобиологии как особого раздела научного знания считается симпозиум по биологическим часам, который был организован Питтендрихом в июне 1960 года. Он состоялся в Колд-Спринг-Харбор — спальном районе Нью-Йорка, где располагается одноименная научно-исследовательская лаборатория. На симпозиуме помимо всех римских пап выступили многие другие ученые. Всего присутствовало примерно 150 ученых, из которых 31 представлял зарубежные страны. Они в те годы проводили исследования биологических ритмов как у человека, так и у других видов животных и растений, даже у одноклеточных.
Важнейшим результатам этого симпозиума стала публикация в 1961 году книги «Biological Clock» («Биологические часы»). В нее были включены зачитанные на нем доклады (более 50) и их обсуждения. Спустя три года эта книга была издана на русском языке под редакцией и с предисловием Симона Эльевича Шноля. С этого момента и наши отечественные ученые, исследовавшие в те годы биоритмы, осознали свою принадлежность к новому разделу биологического и медицинского знания.
Куда спрятал часы, таракан-тараканище?
Итог периода развития хронобиологии до ее взрослого состояния (20-летнего возраста) был подведен в одном из пяти томов руководства по нейробиологии поведения. Ашофф выступил в качестве редактора этого тома, носившего название «Biological Rhythms» («Биологические ритмы», 1981). Вскоре, в 1984 году, русскоязычные ученые также смогли познакомиться с этой книгой благодаря переводу, сделанному Алексеем Алпатовым.
С момента публикации этого руководства прошло уже более 30 лет. За это время хронобиология разрослась в обширный научный раздел, который к тому же разветвился на множество более или менее мощных направлений. Так что уже в 1990-е годы корифеи хронобиологии — старшие ученики ее римских пап — осознали, что теперь уже, да и в будущем вряд ли удастся еще раз осветить, пусть даже вкратце, ее текущее состояние в одном-единственном томе.
Одной из главных задач народившейся научной дисциплины стало обнаружение этих самых загадочных биологических часов, проще говоря, определение точного местонахождения их в организме. Хотя римские папы хронобиологии не имели никакого понятия о том, где же находятся эти биологические часы и как они устроены, некоторые их теоретические предположения в дальнейшем получили экспериментальное подтверждение.
Так, папа Питтендрих еще в 1958 году начал развивать гипотезу о существовании отдельного светочувствительного осциллятора (источника колебаний), который для всего организма выступает в роли пейсмейкера (задающего ритм). И действительно, в течение последующих 40 лет такие светочувствительные пейсмейкеры были успешно локализованы у практически всех «модельных» организмов (животных, которые служат в качестве модели организма человека в экспериментальных исследованиях).
Понятно, что легче всего было найти биологические часы у животных небольшого размера, с которыми легко экспериментировать. Еще на симпозиуме 1960 года был сделан доклад на эту тему. Джанет Харкер, исследовательница, представлявшая на этой исторической нью-йоркской встрече Великобританию, сообщила о результатах ее опытов с тараканами.
У этого насекомого самое большое скопление нервных клеток (ганглий, или нервный узел) находится не в голове, а в брюшной полости. Такое скопление называется подглоточным ганглием. Когда, удаляя поочередно разные участки нервной ткани, Харкер добралась до этого ганглия, она обнаружила, что именно он секретирует в кровь вещество, которое задает ритм двигательной активности таракана. Если, например, удалить собственный подглоточный нервный узел таракана и заменить его ганглием, взятым от другого, то через несколько дней активность прооперированного насекомого начнет демонстрировать ритм таракана-донора.
Как это уже не однажды случалось в науке, открытие Харкер было закрыто после того, как несколько независимых попыток других исследователей воспроизвести результаты ее опыта оказались тщетными. В частности, вывод о часах на пузе не подтвердили опыты, проведенные несколько лет спустя под руководством папы Питтендриха одним из его постдоков. Их результаты рисовали менее замысловатую картину. Зрительные доли, центры обработки зрительной информации в мозге насекомого, оказались более перспективными кандидатами на роль его биологических часов.
Иногда, чтобы найти часы, полезно слетать к бойфренду
У теплокровных животных, к которым относятся птицы и млекопитающие, биологические часы были впервые обнаружены в опытах на воробьях. Американский хронобиолог Майк Менакер в 1968 году показал, что глаза не являются единственным путем, через который световой режим контролирует работу пейсмейкера, предсказанного Питтендрихом. Свет даже небольшой интенсивности может напрямую восприниматься эпифизом (шишковидной железой) птицы. Он проходит в этот «третий глаз» через скальп воробушка с наглухо заклеенными глазами.
Менакер как-то раз рассказал такую историю. У него была аспирантка Натилл Циммерман, которой он поручил попытаться более основательно обосновать вывод, что эпифиз является биологическими часами, используя методику пересадки этой железы от птицы-донора к птице-реципиенту. Опыт поначалу не задался, а спустя некоторое время она заявила, что хотела бы навестить бойфренда. Он сейчас в Европе, если, конечно, Майк выделит небольшую сумму денег на ее поездку в Европу для участия в научной конференции. Майк, естественно, от ее предложения не пришел в восторг, но она вдобавок привела такой аргумент. Во Франции есть лаборатория, где тоже занимаются пересадкой эпифиза. Может, посмотрев на то, как это делается по-французски, она сможет понять, в чем состоит ее ошибка.
И действительно, оказалось, что она перед пересадкой очень тщательно освобождала железу птицы-донора от всех окружающих тканей, а французские коллеги, особо не напрягаясь, пересаживают эпифиз, оставляя кусками соседние ткани. По возвращении она применила этот «французский метод трансплантации эпифиза» и тут же получила ожидаемый результат. Оказалось, что прооперированная птица сдвинула фазу своего циркадианного ритма на фазу донора.
В 1979 году Циммерман и Менакер опубликовали статью с результатами, свидетельствующими о том, что у воробья светочувствительный пейсмейкер находится в шишковидной железе и регулирует большинство ритмов организма через периодический синтез «ночного гормона» мелатонина (за это уникальное свойство гормона секретироваться в темноте и не секретироваться на свету его еще называют «гормоном Дракулы»).
Малы супрахиазматические ядра, да дороги
В отличие от пресмыкающихся и птиц, у млекопитающих эпифиз потерял роль «третьего глаза». Во всяком случае, люди, лишившиеся его по тем или иным причинам, не обнаруживают каких-либо нарушений их околосуточных ритмов и сна.
В 1972 году две американские исследовательские группы практически одновременно сообщили об успешной локализации часов в гипоталамусе млекопитающего. Точнее, они обнаружились в билатеральных (симметрично расположенных с двух сторон) ядрах, названных супрахиазматическими из-за их местоположения прямо над перекрестом (хиазмом) зрительных нервов. Авторами одной из этих двух публикаций были Роберт Мур и Виктор Айхлер, а другой — Фридрих Стефан и Ирвинг Зукер.
Сейчас доподлинно известно, что каждая клетка, каждый орган, каждая функция, важная для организма, обладают своими собственными более или менее сложно организованными часовыми устройствами. Однако достаточно разрушить этот микроскопический участок головного мозга, и все эти миллиарды самых разнообразных часов начнут идти вразнобой. В результате ритмы просто перестанут себя обнаруживать из-за наложения друг на друга разных по фазе и периоду ритмов.
Дальнейшие опыты показали, что если нервную ткань этих ядер извлечь из мозга, то электрическая активность составляющих ее нервных клеток продолжит демонстрировать изменения, по форме близкие к гармоническим (синусоидальным) колебаниям, с периодом, близким к суткам. Подавляющее большинство клеток супрахиазматических ядер активно днем не только у дневных, но и у ночных животных. И совсем неспроста эти ядра располагаются близко к перекресту зрительных нервов. Они созданы в процессе эволюции для того, чтобы указать всем функциям организма то самое время, которое задает внешний световой режим, то есть биологические часы затягиваются этим 24-часовым режимом.
И эту особенность — связь с режимом освещения — очень важно помнить и не забывать. Если задать неверный режим освещения, то и часы в ответ будут сообщать всему организму неверное время, совсем не то, которое показывают наружные часы. В результате многие процессы организма начнут с разной скоростью подстраиваться под это неверное время наперекор наружным часам. Одни подстроятся быстро, а другим для этого понадобится более месяца. Возникнет явление, получившее в английском языке название jet lag. В русском языке для такого явления был выбран термин «десинхроноз». Он был впервые предложен Борисом Алякринским (1911–1990).
Учение Менделя — Моргана «всесильно, потому что оно верно»
За несколько первых десятилетий своей истории хронобиология разрослась в обширное научное направление и вскоре начала делиться на ряд более или менее мощных ветвей. Однако развитие ее молекулярно-генетического ответвления — самого передового во многих других науках — явно пробуксовывало. Наиболее авторитетные хронобиологи того времени мало интересовались генетическими основами биологических часов. Они, в частности, полагали: раз это очень древний и надежный механизм, то строение и функции часов должны контролироваться не несколькими генами, а великим их множеством.
Вызывала сомнения сама возможность того, что поломка одного из «часовых» генов (скажем, единичная вредная мутация, полностью «выключающая» его) может привести к поломке или заметному нарушению работы всего многократно дублируемого механизма. Иными словами, ожидалось, что вредные, нейтральные или полезные мутации отдельных «часовых» генов должны передаваться по законам наследования количественных, а не качественных признаков. Каждая мутация должна очень слабо влиять на величину такого признака. Его наследование не может подчиняться простым менделевским законам наследования (наследования качественных признаков), которым, например, следует множество генетических заболеваний, обнаруженных к настоящему времени у человека.
Так-то оно так, но если, скажем, мы берем для селекции две разновидности какого-то растения с красным и белым цветком и уже знаем, что за то, будет ли цвет красным или белым, отвечает всего лишь одна-единственная мутация в одном единственном гене. Разве это означает, что красный цвет определяет именно такой
единственный ген? Вовсе нет. Как и в случае с биологическими часами, за него отвечает большое количество генов, благодаря слаженной работе которых красный пигмент вырабатывается в каждой без исключения клетке цветка. Просто та самая единственная мутация нарушила весь этот сложный процесс согласованной работы множества разных генов, результатом которого явилась выработка красного пигмента. Белый цвет цветка означает, по сути дела, лишь то, что пигмент не вырабатывается. Единственной мутации в единственном гене достаточно для нарушения нормального течения процесса. Как говорится, ломать — не строить.
Преодоление скептицизма хронобиологов началось с работы, выполненной под руководством Сеймура Бензера (1921–2007) его студентом Роном Конопкой (1947–2015). В лаборатории Бензера эксперименты велись на дрозофиле. Конопка скармливал мутаген (вещество, учащающее мутационный процесс) огромному количеству мушек. Потом с помощью простых технических приспособлений, сконструированных его руководителем, записывал периодичность вылупления потомства из отложенных мушками яиц. Было хорошо известно, что благодаря наличию в их организме биологических часов мушки в условиях длительного поддержания постоянного (непериодического) освещения появляются «на (постоянный) свет» или «на (постоянную) темноту» периодически. Период вылупления при этом довольно стабилен и остается все время близким к (но не равным точно) 24 часам.
Среди многочисленных потомков мушек нашлись единичные мутанты с тремя разными аномалиями циркадианного ритма. Одни мутанты появлялись из яиц аритмично, другие плодились с укороченной (20-часовой) периодичностью, а третьи — с удлиненным (28-часовым) периодом. Более того, оказалось, что все эти повреждения локализованы в одном-единственном ранее не описанном генетиками гене. Он получил название PER (от англ. period — период). Результаты этой своей эпохальной работы Бензер и Конопка опубликовали в 1971 году.
Песня ухажера
Это исследование оказалось первым в череде работ, доказавших правоту тех, кто допускал возможность обнаружения факта влияния единичного гена на сложный поведенческий признак. Такое часто и до того, и после случалось в истории науки: когда в итоге получилось, что две противоположные точки зрения в принципе вовсе не противоречат одна другой. Сейчас хорошо известно, что некоторые мутации действительно «ведут себя» как «менделистские» — вызывают значительный (качественный) сдвиг значения поведенческого признака, в том числе они могут существенно изменить параметры биологического ритма.
Однако у таких мутаций есть другая особенность: в нормальных условиях они случаются крайне редко, поэтому универсально объяснить факт эволюции количественного признака только ими не получится. В то же самое время возможны многие другие мутации, которые будут крайне незначительно влиять на признак. Только их совокупное влияние на признак оказывается немалым. Поскольку такого рода мутации составляют подавляющее большинство, достаточно слегка увеличить частоту большинства из таких вариантов, чтобы получить сдвиг параметров ритма более значительный, чем при одной «менделистской» мутации.
Доживи хоть один из двух авторов этой статьи 1971 года до 2017 года, мы увидели бы его во главе наградного списка на Нобелевскую премию по физиологии и медицине за этот год. Очевидно, что полученный ими результат послужил тем долгожданным импульсом, который, пусть не сразу, в конечном итоге привел молекулярно-генетические исследования циркадианных ритмов к их современному процветанию.
В число сотрудников лаборатории Бензера некоторое время входил постдок Джеф Холл. Сразу после защиты диссертации в 1971 году этот молодой ученый был принят в лабораторию в этом качестве, и организация работы лаборатории ему очень понравилась. Поощрялось проведение самостоятельных исследований, причем не только постдоками или аспирантами, но даже студентами. Правда, работа Холла в этой лаборатории не была особо успешной, он не задержался у Бензера надолго и покинул его лабораторию, так и не дождавшись окончания трехлетнего срока постдокторантуры и публикации полученных научных результатов.
Из лаборатории Бензера Холл вынес устойчивый интерес к изучению молекулярно-генетических основ двух форм циклического поведения дрозофилы. Это ее циркадианный ритм и ритмическая песня, которую самец исполняет при ухаживании за самкой (если не понравится, совокупиться не получится).
Впрочем, этот интерес к изучению ритмических явлений не помешал Холлу самозабвенно предаваться другим увлечениям. А они варьировались от ежедневных стокилометровых вояжей на любимом «харлее» до глубокого погружения в историю Гражданской войны в США. Последнее, в частности, вылилось в публикацию исторической книги, чтение студентам курса лекций про битву при Геттисберге (она стала переломной точкой этой войны) и проведение экскурсии по полям сражений для двух с половиной сотен коллег—молекулярных биологов, которые бродили вслед за ним целый день по этим полям под палящим солнцем, вооруженные наборами подробных карт местности.
Как заметил много лет спустя Холл, его интерес к спорту, рок-н-роллу и прекрасному полу всецело разделял его коллега по частному исследовательскому Университету Брандейса Майк Росбаш. К началу зарождения этой дружбы Росбаш занимался совсем другими научными проблемами. В свою очередь, он сказал лет десять назад в одной из своих презентаций по генетике биологических часов, что сдружились они с Джефом потому, что их сближало очень многое, и перечислил: алкоголь, табак, баскетбол.
Обычно, принимая душ после игры в баскетбол, они информировали друг друга о ходе своих научных исследований. Во время одного из таких «душевных» разговоров и было принято судьбоносное решение объединить усилия для дальнейшего изучения молекулярно-генетических основ ритмического поведения.
Все мы — жертвы случая, иногда — счастливые жертвы
К тому времени прогресс молекулярной генетики уже достиг такого уровня, когда появилась возможность изолировать отдельные гены. Обсуждение этой идеи состоялось опять-таки после игры в баскетбол. Вскоре им посчастливилось воплотить свою идею в жизнь. В 1984 году коллектив авторов, включавший Росбаша, Холла и Конопка, опубликовал статью с результатами секвенирования (определения нуклеотидной последовательности) гена PER и выявления характера связи отдельных участков этого гена с аритмичным поведением дрозофилы.
Поэтому ту свою презентацию десятилетней давности Росбаш закончил последним выводом, гласившим, что во оказывается жертвой случайных обстоятельств (счастливой жертвой в его конкретном случае), ведь даже собственные гены человека — это результат абсолютно случайной комбинации генов двух его родителей.
Холл иронично отреагировал на обидные критические замечания большинства коллег-хронобиологов, отрицавших перспективность молекулярно-генетического подхода к изучению биологических часов. Более того, он посчитал это обстоятельство сомнительного рода благом. Ведь оно сводило число возможных научных конкурентов до минимума. И действительно, когда коллектив, руководимый нашими друзьями, опубликовал результаты судьбоносного исследования гена PER, то оказалось, что конкуренцию им составила всего одна группа.
Ее возглавляет Майк Янг. Эта группа проводит эксперименты на дрозофиле в одном из самых престижных американских научных центров — Университете Рокфеллера в Нью-Йорке. В том же самом 1984 году Янг с соавторами опубликовал в одном из самых престижных научных журналов Nature статью с практически идентичными результатами исследования по оценке влияния конкретных участков гена PER на наличие ритмичности в поведении дрозофилы. Так что, можно сказать, надежность результата, полученного одной из двух (и только двух) независимых исследовательских групп, сразу же была подтверждена результатом, добытым другой группой.
В 2017 году Нобелевский комитет огласил результаты своего очередного непростого выбора: премия по физиологии и медицине ушла к Холлу, Росбашу и Янгу с формулировкой «за открытие ими молекулярного механизма, контролирующего циркадианные ритмы». Так что теперь, спустя более полстолетия с момента своего возникновения, хронобиология обзавелась высшей научной премией.
Будем надеяться, не в последний раз.