Доброборский Б.С.

Академик МАНЭБ, к.т.н.

Биологические часы: конец легенды

В 1729 году де Мэран, ученый секретарь Парижской Королевской Академии наук, сообщил о замечательном наблюдении: он заметил, что листья фасоли движутся независимо от времени суток и освещенности.

В 1758 году Дюмель повторил опыты де Мэрана, поместив растения в глубокую пещеру - во мрак, где температура была неизменна и днем и ночью. Движения листьев продолжались, однако постепенно, через много дней, эти движения затухали, но от очень короткой вспышки света движения возобновлялись, причем так, как будто все время часы шли, только листья-стрелки не двигались.

Это свойство живой природы изменять свою околосуточную активность жизнедеятельности ученые назвали биологические часы.

С тех пор исследованием природы биологических часов занимались и занимаются многие известные ученые: Фриш, Бюннинг, Питендрич, Хастингс, Халберг и другие.

По современным представлениям в каждой клетке животных и растений имеются некие гены, определяющие околосуточную (циркадную) периодичность жизнедеятельности. Внутриклеточные "часы" обладают свойством подстраивают свой ход к периодам смены дня и ночи - светлого и темного времени суток и мало зависят от изменений температуры. Причем в центральной нервной системе животных находятся "главные" часы, управляющие часами других клеток.

Однако до сих пор эти часы так и не обнаружены.

Целью настоящей работы является анализ существующей информации о биологических часах и определение их роли в жизнедеятельности живых организмов.

В процессе исследований был проведен анализ соотнесения принципов процессов жизнедеятельности живых организмов и роли в этих процессах «биологических часов».

В результате проведенных работ установлено следующее.

Как известно из теории неравновесной термодинамики, существующий материальный мир, как живой, так и неживой, представлят собой открытые материальные системы. Между этими системами происходят непрерывные необратимые процессы обмена энергией и веществом. Кроме того, в них, в зависимости от создавшихся внешних и внутренних условий, происходят соответствующие процессы самоорганизации материи. Это свойство природы связано с неравновесным термодинамическим состоянием абсолютно всех материальных систем, включая и живую материю. Поэтому параметры, характеризующие окружающую среду, никогда не бывают постоянными и непрерывно подвергаются как периодическим, так и случайным изменениям.

Принципиальным отличием живого материального мира от неживого с точки зрения термодинамики является следующее:

Живые организмы для обеспечения своей жизнедеятельности всегда находятся в состоянии устойчивого термодинамического неравновесия за счет управляемых обратных связей, в то время как неживая природа всегда находится в состоянии неустойчивого термодинамического неравновесия, поскольку у нее отсутствуют обратные связи.

Поскольку живые организмы для обеспечения своей жизнедеятельности всегда должны находиться в состоянии устойчивого термодинамического неравновесия, любые изменения параметров внешней среды немедленно вызывают определенные изменения в протекании в них биологических процессов.

При этом периодические изменения параметров внешней среды вызывают в живых организмах соответствующие периодические изменения в протекании биологических процессов, а случайные изменения параметров параметров внешней среды вызывают соответствующие случайные изменения в протекании этих процессов. Регулирующими элементами хода биохимических реакций в живых организмах являются ферменты, управляемые аллостерическими модуляторами на уровне клеток и гормонами на уровне целостного организма.

Параметры внешней среды изменяются под действием как периодических источников, так и случайно.

Периодические изменения параметров окружающей среды на Земле в основном связаны с ее вращением вокруг Солнца и вокруг своей оси.

Поэтому основной период изменений экологической обстановки на Земле можно считать равным периоду ее вращения вокруг оси – одним суткам. Этому значению периодичности изменений окружающей среды в своих биоритмах подчиняется подавляющее большинство живых организмов.

А так как каждый из живых организмов имеет свой, индивидуальный ритм, то для обеспечения своей жизнедеятельности в условиях принудительного ритма периодических изменений внешней среды в живых организмах происходит соответствующая биологическая компенсация разницы между собственным и принудительным ритмами.

В частности, организм человека компенсирует разницу между собственными ритмами и принудительным ритмом продолжительностью сна, образом жизни, режимом дня и другими средствами. Причем для большинства людей характерны не только суточные, но и недельные ритмы, связанные с их трудовой деятельностью.

Периодические изменения параметров окружающей среды всегда происходят на фоне случайных параметров, зависящих от множества различных, не связанных между собой источников: погоды, случайных вспышек на солнце, геологических процессов на земле, биологических источников и многих других.

Значения параметров окружающей среды региона, их состав и закономерность изменений на территории обитания живых организмов в основном определяются его географической зоной и в большинстве случаев подчиняются соответствующим законам статистики.

Таким образом, для обеспечения жизнеспособности организма ход биохимических процессов метаболизма должен непрерывно меняться в зависимости от периодических и случайных изменений окружающей обстановки и от внутренний процессов, происходящих в живых организмах. Причем, как было указано выше, в качестве датчиков, определяющих скорость метаболических процессов, в живых организмах используются аллостерические модуляторы и гормоны, непрерывно контролирующих термодинамическое состояние организма и обеспечивающих его устойчивое термодинамическое неравновесие в определенных пределах.

Анализируя гипотезу биологических часов, нетрудно убедиться в том, что под биологическими часами исследователи понимают некоторый синхронный стабилизированный датчик времени, работа которого не зависит от воздействия параметров внешней среды (освещенности, температуры и др.)

На основании приведенных выше рассуждений можно утверждать, что эта гипотеза противоречит теории неравновесной термодинамики открытых систем, в которых происходит непрерывный обмен материей и энергией, с одной стороны, а также принципам жизнедеятельности живых организмов, в которых происходят непрерывные изменения процессов биохимических реакций в зависимости от изменений окружающей среды и внутренний процессов, с другой.

Отсюда напрашивается вывод, что биологических часов как таковых в природе не существует, а наблюдаемые явления не что иное, как биоритмы, природа которых заключается в периодических энергетических колебаниях циклов метаболизма в соответствии со следующим законом биологии, установленным ранее:

Устойчивое термодинамическое неравновесие в живых системах обеспечивается управляемыми непрерывными чередующимися фазами выделения и потребления энергии, причем количество выделяемой энергии всегда больше потребляемой.

Литература

Бюннинг Э. Ритмы физиологических процессов (Физиологические часы) / Пер.с нем. под ред. И.И. Гунара. М.: ИЛ, 1961.

Биологические часы / Пер. с англ. под ред. С.Э. Шноля. М.: Мир, 1964.

Биологические ритмы / Под ред. Ю. Ашоффа. М.: Мир, 1984

Глыбин Л.Я. Когда ложиться спать. Владивосток: Дальневост. кн. изд-во, 1987.

Гэлстон А., Дэвис П., Сэттер Р. Жизнь зеленого растения / Пер.с англ. под ред. Н.П. Воскресенской. М. Мир. 1983.

Доброборский Б.С. Конец легенды о биоритмах. Личность и культура. 2005. №6. С. 24 – 28. (http://interlibrary.narod.ru/GenCat/GenCat.Scient.Dep/GenCatBiology/201200031/201200031.htm)

Пригожин И., Введение в термодинамику необратимых процессов, пер. с англ., М., 1960;

Pittendrich Colin S. Temporal Organization; Reflections of a Darwinian Clock Watcher // Ann. Rev. Physiology. 1993. V. 55. P. 17 - 54.

Millar A.J., Carre I.A., Stryer C.A., Chua Nam-Hai, Kay S.A. Circadian Clock Mutants in Arabidopsis Identified by Luciferase Imaging // Science. 1995. V. 267.

Huang Z.J., Curtin K.D., Rosbash M. PER Protein Interactions and Temperature Compensation of a Circadian Clock in Drosophila. // Science. 1995. V. 267.

Сайт управляется системой uCoz