Время в живых системах

Время в живых системах

Представьте себе, дорогой читатель, что мир неизменен и неподвижен, – как проявляется время в таком мире? С другой стороны, представьте себе различные живые существа, например, бабочку-однодневку и трехсотлетнюю черепаху, – одинакова ли для них длительность суток? Наконец, давайте представим себе наш день: когда он наполнен событиями – как быстро он проходит! А если мы вынуждены скучать в неподвижности, те же часы длятся нескончаемо долго.

О чем говорят нам эти примеры? О том, что время связано с движением, со сменой событий и, стало быть, с тем местом, где они происходят. И о том, что у разных объектов может быть свое, «индивидуальное» время.

В том мире, где мы обитаем вместе с множеством других живых существ, время и пространство являются важнейшими характеристиками и условиями жизни. Земля, наш дом, подобна космическому кораблю, движущемуся во Вселенной, в Солнечной системе, согласно определенным законам. В пределах биосферы – области Земли, которая служит местом обитания для множества самых разных живых организмов, объединенных в сообщества (экосистемы), – пространственно-временные условия в достаточной степени определены и известны. Эта пространственно-временная организация и стала основой развития жизни на Земле, и к ней приспособлены все живые существа, от бактерий до человека.

Течение земного времени определяется двумя категориями событий: циклическими обратимыми процессами, связанными с периодическими космическими явлениями и процессами необратимыми – остыванием Земли, образованием ландшафтов, эволюцией биосферы в целом и каждой отдельной экосистемы, рождением, развитием и смертью каждого организма.

Мы привыкли думать, что ход времени необратим. Но всегда ли это только так? Если бы во Вселенной существовали простые физические системы, время в них возможно было бы повернуть вспять: в классической механике Ньютона абсолютный знак времени не устанавливается, и теоретически возможен и прямой, и обратный ход событий. Время, таким образом, рассматривается как параметр, равноправный с пространством, то есть оно течет вперед как бы в силу привычки, а не по законам природы.

Иначе дело обстоит в сложных биологических системах, состоящих из множества разномасштабных элементов. И клетки, и организмы, и сообщества организмов всегда разделены на функциональные единицы и пространственные отсеки, между которыми существуют каналы связи с определенными правилами перехода. При этом жизненные процессы в каждом отсеке происходят в своем масштабе времени (так, в органеллах клетки молекулы белков-ферментов изменяют свою форму и реакционную способность за доли секунды, процессы диффузии между органеллами имеют околочасовую периодичность, клеточные циклы длятся около суток, сон и бодрствование организма управляется суточным ритмом, а размножение и развитие – сезонным).

Таким образом, сложности пространственной организации живого объекта соответствует и сложность его временной организации. В сложных системах обязательно возникает и необратимость течения времени. Действительно, процессы эволюции (исторического или индивидуального развития) обратного хода не имеют. Такая необратимость течения событий в природе связана с тем, что многие элементы сложной системы не могут вести себя строго закономерно, в их поведении обязательно сказывается фактор непредсказуемости, случайности. При этом необратимые изменения в системе могут появляться как в силу накопления случайных отклонений в каких-либо периодических обратимых реакциях, так и в силу закономерного перехода всей системы в качественно новое состояние. Например, рост клетки или организма, сопровождаемый морфологическими и физиологическими изменениями, образование нового вида животных в биосфере, изменения ландшафта, – все это необратимые процессы, которые и создают «стрелу времени».

В пределах длительности существования Земли многие необратимые процессы на ней, определяющие «стрелу времени», связаны с развитием жизни: образование почвы, ландшафтов, эволюция биосферы – постепенное изменение облика Земли.

Мысль о связи циклических процессов в биосфере и в космосе, очень образно выразил Н. Я. Пэрна, один из основателей науки хронобиологии: «Каждое мировое явление течет в периодах, оно словно по винтовому ходу взбирается оборот за оборотом, ступень за ступенью, и это создает развитие или рост и вместе с этим создает время… И потому земная жизнь проявляет себя в тех же приблизительно циклических процессах… Мировое усилие быть протекает в виде периодических волн, и так как это мировое творчество одинаково проявляется и в жизни солнц и планет, и в жизни животных или растений, то мы одинаково видим эти периоды и тут и там».

Рассматривая жизнь как космическое явление, надо представить себе Вселенную, расширяющуюся (как утверждает современная космогония) в постоянных пульсациях. Одним из проявлений этих пульсаций является периодическая деятельность Солнца. Она же, в свою очередь, находиться в зависимости от перемещений планет по отношению к Солнцу, так что в периодах солнечной активности отражаются периоды движений планет; при этом вся Солнечная система является частью звездной галактики. Добавим, что в годы и месяцы, когда электромагнитная и радиационная деятельность Солнца усиливается, на Земле увеличивается число массовых феноменов – заболеваний, несчастных случаев и даже социальных потрясений. Получается, что длительность любых событий во Вселенной можно измерять числом периодических пульсаций – результата перемещений небесных тел.

Построение этой величественной картины динамической Вселенной и проявления ее пульсаций в жизни Земли – одно из самых впечатляющих достижений человеческой мысли, от философских умозаключений Древней Индии до самых последних выводов современной физики и биологии. С древнейших времен представления о периодичности космических влияний на земные события находили свое отражение не только в философских построениях индуизма, дзен-буддизма, некоторых греческих научных школ, но и в системах наблюдений астрологической медицины. В XX веке развитие этих представлений в значительной мере связано с достижениями научно-философской школы русских космистов, в особенности с работами А. Л. Чижевского и В. И. Вернандского.

Из множества циклов Космоса наиболее значима для биосферы периодичность солнечной активности, т. е. совокупности физических изменений Солнца. Еще в XVII в. Галилей и другие ученые-астрономы обнаружили на поверхности Солнца темные пятна, которые появляются и исчезают, меняют величину по мере вращения Солнца вокруг своей оси. В середине XIX века швейцарский астроном Р. Вольф показал, что в солнечной активности, выражающейся в образовании пятен имеется цикличность, и продолжительность цикла меняется от 7 до 16 лет, составляя в среднем 11,1 года. Причины этих колебаний могут быть связаны как с внутренними механизмами солнечной деятельности, так и с гравитационными влияниями планет, периодически изменяющимися при их взаимных перемещениях.

Как же передаются эти влияния обитателям Земли? Оказалось, что многие биологические процессы и состояния, в том числе и самочувствие людей, меняются в ритме заданном «солнечным ветром», потоки частиц которого меняют свое направление (как и силовые линии геогелиомагнитных полей) вследствие вращения Солнца вокруг своей оси: вся совокупность потоков материи и энергии от Солнца также вращается с периодом 27 дней. Поворачиваясь подобно спицам гигантского колеса, они «бьются» о земную магнитосферу с разными интервалами – от нескольких часов до дней, недель и месяцев, – оказывая влияние на атмосферу, гидросферу и все живое на Земле.

Как сказываются на живых существах все эти периодические явления? Хорошо известны сезонные циклы размножения животных и растений, суточные ритмы активности всего живого, приливно-отливные ритмы морских организмов. На периоды максимума солнечной активности приходятся наиболее урожайные годы. На основании прогнозов солнечной активности, которые даются астрономами на десятки лет вперед, можно рассчитать годы повышения патогенности микроорганизмов и возникновения эпидемий, годы нашествий на поля грызунов и саранчи. Социологи и историки выяснили, что последние несколько веков начало всех военных и революционных событий приходилось на годы максимальной солнечной активности.

Каков же механизм чувства времени у живых существ? Какие процессы внутри клеток и организмов помогают им ориентироваться во времени? Прежде всего, необходимо понять, является ли чувство времени внутренне присущим живым организмам, фундаментальным свойством живого или же ритмичность биологических процессов – просто реакция на периодические колебания условий внешней среды. Самый естественный путь для решения этого вопроса – изучение организмов, содержащихся в ходе эксперимента в строго постоянных условиях. Такими опытами было доказано, что у каждого вида организмов имеется ряд ритмов, не зависящих от условий среды. Эти ритмы были названы эндогенными. Многие из них имеют периодичность, близкую к суткам: это, например, ритмы деления клеток, изменения активности ферментов, окислительно-восстановительных процессов. Более быстрые (короткопериодичные) ритмы – например, дыхания, сердечной деятельности у человека – также являются эндогенными. Однако некоторые ритмы, такие, как чередование сна и бодрствования, активности и пассивности пищеварительных ферментов и многие другие, подчиняющиеся в природных условиях суточной периодичности, в постоянных условиях эксперимента несколько изменяют (например, до 25 часов) свой период. По этой причине большую группу ритмов, в природе строго синхронизируемых сменой дня и ночи, стали называть циркадианными или циркадными (околосуточными).

Другая большая группа ритмов в организмах имеет околочасовую периодичность, а многие ферментативные процессы в клетках осциллируют с короткими периодами (порядка секунд или минут).

Видимо, благодаря всем этим разнообразным механизмам, носящим общее имя «биологические часы», и возможно очень точное ориентирование всех живых существ во времени. Примером такого ориентирования может послужить возможность формирования рефлекса на время у моллюска. Ход опыта таков: моллюск получает каждые 5 минут удары слабым током. После удара он ненадолго скрывается в раковине, а затем продолжает свое движение. После прекращения ударов моллюск продолжает точно каждые 5 минут прятаться в раковине. Это говорит о наличии у него системы отсчета времени.

Другой пример связан с сезонными циклами размножения. Океанский червь палоло раз в году образует для размножения громадные скопления в определенном квадрате океана, в определенной фазе луны, для чего этим пловцам приходится преодолевать многие километры пути. Это также свидетельствует о существовании в их организмах системы отсчета времени (и ориентирования в пространстве!), которая позволяет им заранее «предвидеть» сезон размножения и вовремя пуститься в путь.

Все подобные примеры ставят нас перед волнующей загадкой природы: каким образом живые организмы предвидят наступление важных для их существования периодических изменений в среде? Иными словами, если биологические часы есть неотъемлемое свойство живого, то как они устроены?

В последние два десятилетия наука вплотную приступила к решению загадки «биологических часов»; возникли даже новые области – хронобиология и хрономедицина.

Вкратце, современные представления об устройстве «биологических часов» сводятся к следующему. Каждая клетка живого организма обладает набором биохимических реакций, имеющих автоколебательные свойства. К ним относятся концентрационные колебания в ферментных системах – результат саморегуляции при наличии обратной связи. Предполагается, что это и есть принцип организации «секундомеров» в «биологических часах». Однако чтобы эти часы могли служить для измерения более длительных процессов, например, сообразно, с длительностью суток, необходим замедляющий механизм, действующий аналогично зубчатой передаче механических часов. Скорее всего, эту роль играют процессы диффузии продуктов быстрых биохимических реакций внутри клетки, «обслуживающие» цикл клеточного деления. Вероятно, этот околочасовой ритм закладывается в самом начале развития каждого организма, когда оплодотворенная материнская клетка очень быстро, строго ритмично многократно делится, образуя многоклеточный зародыш. В этот уникальный период жизни клеточные деления происходят со скоростью, определяемой главным процессом – удвоением (репликацией) молекулы ДНК. Полагают, что это и есть так называемый «хронон – модель биологического циркадного механизма.

Автор концепции «хронона» Ч. Эре сравнивает двухспиральную молекулу ДНК со старинным хронометром, состоящим из двух перевитых кусков каната, пропитанных воском и свечным салом. Они горят с удивительно постоянной скоростью, что и навело Ч. Эре на его идею. Каждая клетка, как и целый организм, – самоподдерживающаяся система. Она должна постоянно подзаряжаться энергетически. Окислительно-восстановительные процессы, энергетически обеспечивающие деление клеток, – это основные таймеры множества околочасовых ритмических процессов, связанных в начале развития с клеточным делением. В более поздние периоды жизни организма клетки делятся уже не так быстро, но клеточные околочасовые ритмы продолжают существовать.

А что помогает организму ориентироваться во времени суток, в сезонах года? Какой часовой механизм определяет время созревания, старения и смерти каждого организма? Многие животные заранее «знают» время и направление длительных миграций к месту обзаведения потомством. Так, всем известная горбуша, после своего развития из икринок, оплодотворенных в реках, в течение 4–5 лет живет и взрослеет в Тихом океане, растет, накапливает жир, готовясь к половому созреванию. С приближением периода размножения горбуша начинает свой путь, иногда длиной в тысячи километров, к устью именно той реки, где она появилась на свет. За время пути рыба начинает проявлять признаки старения: у нее меняется форма тела и челюстей, западают глаза, истончается кожа, запасы жира расходуются на формирование половых продуктов. Для нереста горбуши добираются до верховьев рек, преодолевая пороги, иногда погибая в пути. После нереста все родительские особи умирают (причиной являются множественные инфаркты, связанные с колоссальным повышением уровня холестерина в крови). Жизнь рыб как будто заканчивается в соответствии с программой, записанной в генах…

Как известно теперь благодаря работам ученых-физиологов, основные «часы» в организме высших животных связаны с нейроэндокринной системой регуляции, главное звено которой находится в гипоталамусе. Именно эта эндокринная железа, являющаяся в то же время частью головного мозга, и сосредотачивает в себе информацию, которая поступает в организм извне и от органов и систем самого организма. Информация извне принимается через зрительный анализатор (это органы зрения и отделы нервной системы, обрабатывающие зрительную информацию). Так гипоталамус «узнает» об изменениях длины светового дня, а это и есть сигнал как о сезонных изменениях в природе, так и о суточной периодичности. Гипоталамус управляет активностью другой эндокринной железы, гипофиза, которая уже передает сигналы «рабочим» железам: надпочечникам, вырабатывающим гормоны мобилизации, гонадам, вырабатывающим половые гормоны, и т. д. Так весь организм вовлекается в физиологические изменения, подчиненные биологическим ритмам.

С возрастом порог чувствительности гипоталамуса изменяется; именно «неполадками» этой всеобъемлющей регуляторной нейроэндокринной системы определяется старение. В стареющем организме нарушаются процессы адаптации (приспособления) к среде. Возникает десинхроноз, а также и типичные болезни старения (ожирение, диабет, гипертония, рак) что и приводит к гибели организма. Таким образом, старением завершается «индивидуальное время».

«Отработанная» сома всех организмов после их смерти поступает вновь в великий круговорот земного вещества, из которого ежесекундно рождаются новые жизни, и этот процесс постоянной смерти и перерождения по древнеиндийским учениям назывался колесом сансары. Короткие времена жизни элементов-организмов питают долгую жизнь глобальной системы – биосферы. Так и отжившая «сома» человека впадает в тот же вечно живой океан.

Таким образом, ручейки индивидуального времени сливаются в реку времени биологических видов, а те впадают в океан планетарного времени, имеющего уже другие масштабы.

Ольга Мелехова, д-р биол. наук, МГУ