5. Предвестники современной мысли
Более пятидесяти лет назад Альберт Эйнштейн, разработав специальную теорию относительности, показал, что при превращении массы в энергию количество выделяющейся энергии пропорционально квадрату скорости света. Не прошло и тридцати пяти лет, как физики экспериментально подтвердили вывод Эйнштейна, непосредственно измерив энергию, выделяющуюся при расщеплении атома.
В отличие от физики в науке о биологических ритмах еще нет своего Эйнштейна. Первые попытки сколько-нибудь активного объяснения природы этих ритмов были предприняты только в начале тридцатых годов. Научный мир встретил их с еще большим скепсисом, чем в свое время теорию относительности.
Почему же так получилось? Прежде всего, живые организмы, объект исследований биологов, представляют собой значительно более сложные образования, чем изучаемые физиками атомы. А ведь атомы, особенно атомы тяжелых элементов, невероятно сложны. И все же атом намного проще самого маленького из живых организмов. Хотя вирусная частица так мала, что ее можно увидеть лишь с помощью электронного микроскопа, количество составляющих ее атомов очень велико.
Кроме того, не следует забывать, что биологи, работавшие в самых разных областях, занимались разработкой и решением многих частных практических проблем. По мере того как они находили ответы на одни вопросы, перед ними возникали другие. В результате прошло много времени, прежде чем стало очевидным, что в ритмическом поведении самых разных организмов существуют общие закономерности.
Так, энтомологи, бродя по свету в поисках насекомых, с помощью которых можно было бы бороться с сельскохозяйственными вредителями, не обращали особого внимания на то, что насекомые выходят из куколок в определенное время дня и года. Генетики, выводя растения, наиболее приспособленные к определенным местообитаниям, не интересовались продолжительностью дня в этих широтах в разное время года. Ветеринары, узнав первопричину и найдя способы лечения свиной холеры, не знали, что стрессовые воздействия снижают устойчивость свиней к этому заболеванию.
Таким образом, нет ничего удивительного в том, что концепция живых часов была выдвинута лишь после того, как биологи сумели обобщить огромное множество наблюдений и понять, что некоторые, казалось бы, очень разные факты относятся к одному и тому же типу явлений.
Одно из первых строгих исследований ритмической активности в живом организме было осуществлено голландским ботаником Антонией Клейнхоонте в 1929 году.
Хотя Дарвин, изучая «движения сна» у листьев, поставил не одну сотню опытов, методика экспериментов за прошедшие с тех пор пятьдесят лет шагнула далеко вперед, и Клейнхоонте была склонна подвергнуть сомнению достоверность результатов, полученных Дарвином. Да и работа его строилась не по тому плану, который бы позволил получить ответы на вопросы, занимавшие мысли голландской исследовательницы. Большинство своих наблюдений Дарвин проводил в естественных условиях чередования дня и ночи или при незначительных изменениях этих условий. К тому же объектом его экспериментов были растения, принадлежащие более чем к ста пятидесяти видам. И при всем своем желании он просто не имел времени на детальное изучение какого-либо одного из них.
Клейнхоонте понимала, что более глубоко изучить механизм «движений сна» у листьев можно, лишь постоянно и продолжительно наблюдая за поведением какого-нибудь одного вида растений. В качестве объекта для своих экспериментов она выбрала крупное растение, мечевидную канавалию (Canavalia ensiformis), и составила тщательно продуманную программу экспериментов, в которую включила большое число измерений при самых различных условиях.
Основной целью исследований было узнать, являются ли «ритмы сна» у растений врожденными или они вызываются суточным ритмом чередования света и темноты. Что случится с растением, выросшим в нормальных условиях, если ночью, когда листья будут находиться в положении сна, осветить их одиночной вспышкой длительностью всего в одну-две минуты? Что произойдет, если вырастить растение из семени в аномальных условиях, скажем в режиме чередования 6 часов света и 6 часов темноты? А может быть, попробовать режим 8 часов света и 8 часов темноты, или 18 часов света и 18 часов темноты, или 24 часа света и 24 часа темноты? Запомнят ли сеянцы новые ритмы? И если запомнят, то сохранят ли их при постоянной темноте или слабом освещении?
Но для того чтобы получить ответ на любой из этих вопросов, исследовательница нуждалась в приборе, который бы обеспечил точную и непрерывную запись движений листьев в любом режиме чередования света и темноты. Метод, которым пользовался Дарвин, явно не годился, поскольку требовал постоянного визуального наблюдения, а Клейнхоонте не хотела допускать ни малейших нарушений режима, которые могла вызвать даже самая слабая лампа, включаемая на время наблюдений. Поэтому она остановила свой выбор на кимографе, создав исключительно чувствительную модель этого прибора.
К средней жилке первого листа канавалии она прикрепила тонкую нить, которую перекинула через маленький блок. К нити под блоком был подвешен кусочек тоненькой проволоки, согнутый конец которой оставлял след на закопченном барабане, медленно вращавшемся с постоянной скоростью. Первые же испытания показали, что прибор вполне обеспечивает запись движений листьев.
Рис. 18. Кимограф, похожий на тот, которым пользовалась Антония Клейнхоонте для регистрации движений листьев фасоли. 1 — писчик, регистрирующий на непрерывно вращающемся барабане движение листа. Слева — лист в дневном положении, справа — в ночном.
Клейнхоонте сначала записала движение листьев у проростков, растущих в нормальных условиях. Наиболее четкими оказались суточные ритмы сна 17- или 18-дневных растений. Растения этого возраста и были выбраны для проведения экспериментов.
Записав движения листьев сеянца в нормальных условиях, Клейнхоонте в соответствии со своей экспериментальной программой ночью, когда листья уже полностью находились в положении сна, включала всего на одну минуту яркий свет, после чего растение оставлялось в условиях непрерывной темноты. И даже в темноте листья принимали свое обычное дневное положение (как и ожидала Клейнхоонте на основании результатов, полученных предшествующими исследованиями), но теперь растение возобновляло свой ритм с задержкой на двенадцать часов. Так было доказано, что одиночная короткая вспышка света может сдвинуть фазу ритма.
Для следующего эксперимента семена проращивали при непрерывно повторяющемся цикле 8 часов света и 8 часов темноты. После того как проростки достигли 17-дневного возраста, Клейнхоонте присоединила нить кимографа к средней жилке первого листа и приступила к записи.
Растение вело себя так, словно общая продолжительность суток составляла всего 16 часов — с 8-часовым «днем» и 8-часовой «ночью». Тогда Клейнхоонте приступила к следующему этапу экспериментального исследования, оставив это же растение при непрерывном освещении. Теперь оно не имело никаких указаний на время суток — ни тех аномальных, в которых было выращено, ни естественных. Сохранит ли растение шестнадцатичасовой цикл? Или перейдет на какой-то другой? Наблюдая за записью, Клейнхоонте увидела, как постепенно растение перешло от аномального цикла к своему обычному суточному ритму. Несмотря на то что с момента прорастания растение никогда «не видело» настоящих дня и ночи и было вынуждено жить в неестественном цикле, оно все же сохранило способность установить совершенно нормальный ритм.
В своих многочисленных экспериментах Клейнхоонте создавала разные аномальные циклы и, после того как ритм проростков попадал с ними в фазу, оставляла эти растения в одних случаях при непрерывном освещении, в других — при непрерывной темноте. И всегда, как только растения освобождались от принудительного аномального цикла, они возвращались к своему естественному ритму, соответствующему суточному вращению Земли — тому, в котором жили многие поколения этого растения.