3.4. Колебательные процессы в живом организме и методы их исследования

Приспосабливаясь к циклически изменяющейся среде, живые организмы эволюционно сформировали набор колебательных физико-химических процессов с разными периодами – своеобразную библиотеку программ поведения.

3.4.1. Околосуточные ритмы

Особой стабильностью обладают околосуточные, или, как их называют, циркадные ритмы живых организмов. Внутри суточного ритма имеется довольно сложная периодичность биохимических и физиологических процессов.

У человека, например, два максимума активности и два минимума, ночью температура тела снижается, а конечностей повышается, колеблется несколько раз в течение суток восприимчивость к лекарствам и ядам, рождаемость и смертность, меняется состав крови.

У живых организмов имеется несколько органов, связанных друг с другом: гипоталамус, (который как бы объединяет две системы регуляции: нервную и гормональную; в рамках системы организма периодичность работы гипоталамуса – 24 ч), гипофиз и другие железы, которые создают гормональные циклические процессы. Мозг и эндокринная система воздействуют на биологические часы других органов и клеток, например, клеток кишечника или сердца, причем каждая из систем не только испытывает влияние, но и сама оказывает обратное воздействие. Органы чувств получают информацию от внешней среды и передают ее в центральную нервную систему, синхронизируя ход внутренних процессов с внешними периодическими процессами.

Живой организм – это набор многих автоколебательных процессов с близкими к 24-часовому периодами (рис. 3.2), которые синхронизируются за счет внутренних обратных связей и внешних сигналов, приближаясь в некоторых пределах к наиболее быстрому процессу. Исследовать такую систему сложно, размыкание связей приводит к ломке всех процессов.

Рис. 3.2. Суточные ритмы различных процессов в живых организмах

3.4.2. Околочасовые ритмы

Подобные ритмы обнаружены у самых разных биологических объектов. Скорость синтеза белка, проницаемость клеточных мембран, количество РНК и белка и другие характеристики изменяются с околочасовой периодичностью во многих специализированных клетках: нервных клетках сетчатки, клетках мозжечка, секреторных клетках слюнных желез, клетках печени и поджелудочной железы. Причем, внешние факторы вызывают только синхронизацию колебаний, происходящих в клетках.

Однозначного ответа на вопрос синхронны ли околочасовые ритмы разных клеток живого организма, например, клеток печени и поджелудочной железы, пока нет.

Однако эксперименты показали, что ритм синтеза белка в печени, поджелудочной и слюнной железах крыс обнаруживает значительное сходство, хотя синтез и выделение пищеварительных ферментов в слюнной и поджелудочной железах регулируются разными способами. Оказалось, что и в клетках, культивируемых вне организма, сохраняются околочасовые ритмы (в первые сутки после посева клетки колеблются асинхронно, а затем между колебаниями возникает синхронизация).

Околочасовые колебания устойчивы к внешним воздействиям. Период меняется незначительно при изменении температуры от 18 до 37⁰С; лишь при 0⁰С колебания прекращаются. Механизм околочасовых клеточных ритмов весьма сложен. Так, известно большое количество несовместимых между собой биохимических реакциях, протекающих в клетке. Такие несовместимые биохимические превращения изолируются друг от друга соответствующей организацией во времени и пространстве. Например, в клетке пространственная организация процессов осуществляется многими способами:

–объединением функционально связанных катализаторов – ферментов в крупные макромолекулярные комплексы;

–присоединением ферментов в определенном порядке к внутриклеточным мембранам;

–разнесением несовместимых ферментов и полиферментных систем в различные отсеки, разделенные мембранами, обладающими селективной проницаемостью.

Однако не все конкурирующие процессы разделены в пространстве, например ферменты, катализирующие противоположно направленные процессы синтеза и расщепления глюкозы и гликогена – энергетического топлива, находятся в одном и том же отсеке. Для таких биохимических процессов основной формой организации является организация во времени, т.е. периодический порядок работы несовместимых процессов во времени.

Возможно автоколебательные биохимические реакции, обеспечивающие клетку энергией, выступают в роли главных внутриклеточных часов. Однако не исключена возможность существования и других ритмов в клетке, синхронизируемых энергетическим циклом, например, последовательность молекулярных процессов на расплетающихся в ходе клеточного цикла нитях ДНК или перенос определенного количества ионов, определяемый их концентрацией внутри клетки, через мембрану.