Як дізнатися, котра година на внутрішніх годинниках цього хрестоцвітих? Методами генної інженерії в геном цієї рослини вбудований ген люцеферази (ферменту системи генерації світла) з жука-світляка (!). Така рослина починає світитися, а інтенсивність світіння управляється власними генами - годинами арабидопсиса. Тепер можна вивчати тонкощі циркадних ритмів різних мутантів цієї рослини.
Регулювання годин рослин. фітохромів
Як сказано вище, рослинам годинник потрібні не тільки для підстроювання до зміни дня і ночі, а й для пристосування до зміни сезонів. Вони не тільки відрізняють весну від осені (в наших середніх широтах), але набагато більш тонко пристосовуються до певної тривалості дня. Є рослини короткого дня і довгого дня. Короткодневние рослини зацвітають ранньою весною незабаром після весняного рівнодення, рослини довгого дня зацвітають в дні, близькі до літнього сонцестояння. Як вони визначають тривалість дня і ночі? Відповідь на це питання - одне з яскравих досягнень сучасної науки.
На сході й заході спектри сонячного світла, що доходить до поверхні землі, як всім ясно, різні. Низько над горизонтом сонце червоне, що обумовлено сильною залежністю розсіювання світла від довжини хвилі: довгохвильовий червоне світло розсіюється менше, ніж синій. У західному і сутінковому світлі відносно багато «далекого червоного», майже інфрачервоного, світла.
Ця зміна спектрального складу сонячного світла рослини використовують для визначення тривалості дня. Для цього їм служить чудовий пігмент фітохром. Цей пігмент існує в двох формах. Одна форма Фк - «фітохром червоний» - поглинає світло в «денний» червоній області в районі довжин хвиль 660 нм і. перетворюється в другу форму Фдк - «фітохром дальній червоний». Ця форма фітохрому поглинає «сутінковий» червоне світло з довжиною хвилі 730 нм і при цьому (що саме чудове) знову перетворюється «назад» у Фк. У темряві Фдк повільно перетворюється в Фк.
Фітохром: синтез і руйнування
Так виходить цикл: дві форми пігменту перетворюються одна в іншу в залежності від часу доби і відповідно до власного характерним часом життя однієї з форм. Це годинник, регульовані зовнішніми сигналами. Залежно від концентрації Фдк знаходяться і фізіологічні процеси в рослинах - їх зростання і зацветание.
Фітохромів присутні в рослинах в дуже малих кількостях. Це блакитні пігменти, схожі за будовою на жовчні пігменти тварин або пігменти деяких водоростей. У нормальних зеленому листі вони маскуються хлорофілу і каротиноїди. Для виділення перших міліграмів чистих препаратів фітохромів в 1960-і рр. довелося переробити тонни етіолірованних (бесхлорофильное) проростків кукурудзи.
Таким чином, внутрішньоклітинні годинник рослин мають додаткові фітохромние регулятори, що дозволяють їм пристосовуватися до змін тривалості світлого часу доби.
Годинники в організмі вищих тварин
Нарешті, трохи про біологічні годинах вищих тварин. У всіх клітинах є свій годинник. Але, як уже сказано вище, багатоклітинний складний організм може нормально існувати тільки за умови узгодженості в часі всіх його функцій, тобто повинні бути «центральні», «головні» годинник, керівники всіма іншими внутрішньоклітинними годинами.
Відносно недавно було показано, що ці «головні» годинник розташовані в головному мозку в супрахіазменние ядрі таламуса. До цього годинника підходять нервові волокна від зорового нерва, з кров'ю приносяться різні гормони і серед них ймовірно, найбільш важливий для настройки годин гормон епіфіза - мелатонін. Епіфіз, що був колись «третім оком» у стародавніх рептилій, зберіг свої функції регулювання циркадних ритмів.
У клітинах супрахіазменние ядра таламуса добова періодичність зберігається і в дослідах, коли ці структури ізольовані з організму. Це дозволило з'ясувати багато особливостей дії цих головного годинника.
За допомогою волокон зорового нерва і гормону мелатоніну цей годинник регулюються зміною світлого і темного часу доби, а серед сигналів, що діють на ці клітини, виявилася NO - оксид азоту.
Те, що NO - учасник важливих біохімічних процесів, відкрив близько 30 років тому А.Ф. Ванін (в Інституті хімічної фізики АН СРСР). Зараз шляху освіти в клітці цього, як здавалося раніше, цілком чужорідної речовини, вивчають у безлічі лабораторій в різних країнах. Стає зрозумілим сенс вживання препаратів нітрогліцерину при стенокардії, з'ясовується механізм розширення коронарних судин серця. Виявлена роль цієї речовини в самих різних процесах. І ось в механізмах тимчасової організації складного організму NO також грає ключову роль.
Добова періодичність може бути дуже складною
Проблема біологічного годинника не обмежується суто науковими завданнями. Очевидно принципове значення цих питань для медицини. Зміна фізіологічного стану організму протягом доби - зміна працездатності, розумової активності, проявів імунітету - все це необхідно враховувати в повсякденному житті. Одні і ті ж ліки можуть давати абсолютно різні ефекти при прийомі в різний час доби, при різних фазах біологічних ритмів.
Крім цілодобовий, циркадних, періодів наші організми підпорядковані багатоденним - околонедельним, околомесячним, річним і ще більш тривалим ритмам. Цим питанням присвячена велика література, але вони ще далекі від повного з'ясування. Останнім часом великий інтерес викликають дослідження і концепції доктора медичних наук Л.Я. Глибіна, директора Кардіологічний центру Владивостока.
Л.Я. Глибін вважає, що в добі є кілька періодів підвищеного і зниженого фізіологічного стану організму. Знижена опірність хворобам, знижена працездатність припадає на час 2-3, 9-10, 14-15, 18-19, 22-23 ч місцевого часу. Висока працездатність і опірність хворобам характерна для часу доби 5-6, 11-13, 16-17, 20-21 і 24-1 ч. Відповідно до цих періодів, Л.Я. Глибін вважає бажаним починати день в 5-6 годин ранку і лягати спати до 22 год, відповідно перебудувавши всю суспільне життя, скасувавши роботу в нічні зміни, вечірні сеанси кіно і театральні вистави. На його думку, «сови» відрізняються від «жайворонків» тільки тим, що вони використовують період 24-1 ч і пропускають надзвичайно продуктивний період 5-6 ч. Чи так це? Буде потрібно багато зусиль, щоб знайти відповіді на такі питання.