Куда летит время. Увлекательное исследование о природе времени - Алан Бёрдик

Биологические часы оказались очень полезны для адаптации живых существ к условиям окружающей среды. Начнем с того, что они выступают главной опорой жизнедеятельности в целом. Теоретически без них можно обойтись: хронометрирование физиологических процессов может осуществляться автономно за счет внутренних ресурсов организма. Наш внутренний хронометр в состоянии обеспечить координацию физиологических процессов, протекающих во внутренней среде организма, напрямую поддерживая постоянную связь с тактовыми импульсами двадцатичетырехчасового суточного ритма, которые задает солнечный свет. Но в таком случае наш организм по ночам и в пасмурные дни неизбежно отправлялся бы в свободное плавание по рекам времени. (Представьте себе, что у ваших радиоконтролируемых часов приемник регулярно выходит из строя, из-за чего они теряют способность отсчитывать время.) До конца восьмидесятых годов XX века большинство биологов стояли на том, что у микроорганизмов, таких как цианобактерии, циркадные ритмы вовсе отсутствуют, по той простой причине, что жизнь среднестатистического микроба слишком коротка, чтобы вписаться в них. Деление типичной одноклеточной цианобактерии происходит каждые несколько часов. При солнечном свете размножение клеток активизируется, в темноте интенсивность клеточных делений снижается. В течение двадцати четырех часов один материнский одноклеточный организм дает начало шести и более поколениям дочерних клеток, которых насчитывается невероятное множество. Как метко выразился в разговоре со мной Карл Джонсон, микробиолог из Университета Вандербильта: «Какой смысл обзаводиться часами, если на следующий день вы будете уже другим человеком?»

Более двадцати лет Джонсон находится в авангарде исследований, которые дают понять, что у бактерий все-таки есть свой циркадный хронометр, причем поразительно точный. Более того, клеточные часы бактерий настолько не похожи на молекулярные часы животных, растений и грибов, что в отношении первых напрашивается вопрос о причинах эволюции внутреннего часового механизма и о том, как могли быть этимологически связаны между собой последующие модификации биологических часов.

Цианобактерии производят кислород в ходе фотосинтеза; многие виды также обладают способностью фиксировать атмосферный азот и превращать его в соединения, легко усваиваемые растениями. Единовременное осуществление фотосинтеза и азотфиксации – невероятно сложная задача, так как присутствие кислорода угнетает активность фермента, задействованного в каптаже азота. Тем не менее высокоорганизованные нитчатые цианобактерии могут параллельно осуществлять оба процесса, распределяя обязанности между специализированными клетками. У одноклеточных цианобактерий нет внутриклеточных отсеков, поэтому они вынуждены распределять функции по времени: фотосинтез осуществляется днем, а фиксация азота – ночью.

Существование суточного цикла чередования фотосинтеза и азотфиксации у цианобактерий навело ученых на мысль о некотором аналоге биологических часов у микроорганизмов. Джонсон с коллегами разобрались в устройстве часового механизма, основываясь главным образом на изучении цианобактерий вида Synechococcus elongatus, широко используемого в лабораторных экспериментах. Аналогичный принцип действия внутренних часов встречается у многих видов цианобактерий, а некоторые его аспекты присущи микроорганизмам других родов, но у более высокоорганизованных организмов нет ничего похожего. В ядре клетки у Synechococcus elongatus присутствуют три вида белков – KaiA, KaiB и KaiC, чьи названия происходят от японского иероглифа kaiten, которым обозначают циклическое круговращение небес. Ведущая роль принадлежит белку KaiC, молекула которого частично напоминает два пончика, сложенных один на другой. Эпизодически взаимодействуя с двумя другими белками, KaiC довольно ловко справляется с функциями шестеренки часов. При этом происходит частичное изменение конформации молекулы, в результате чего она приобретает способность захватывать и высвобождать фосфат-ионы. В конечном счете все три вида белков формируют временное молекулярное образование, которое называется периодосомой. Сьюзен Голден, микробиолог из Калифорнийского университета Сан-Диего, образно описывает взаимодействие между белками как «групповые объятия», на которые уходит около двадцати четырех часов.

«Это похоже на работу шестерен в часовом механизме», – объясняла мне Голден. Процесс настройки передач примечателен множеством любопытных аспектов, но больше всего поражает то, что он функционирует автономно. Биологические часы высокоорганизованных форм жизни приводит в действие циклический характер экспрессии ДНК: основные гены ядра, кодирующие качественные признаки, запускают процесс сборки белков. Поступая в ядро из цитоплазмы, последние отключают экспрессию первых. Клетки цианобактерий лишены ядер, их внутренние часы представляют собой неопосредованные взаимодействия между белками. Эти белки синтезируются специфическими генами, и при их выщеплении внутренние часы выходят из строя в силу нехватки нужных деталей. Продолжительность тактов белковых часов, однако, не привязана к скорости экспрессии генов и практически не связана с ДНК клетки. При изъятии ключевых белков из клетки и помещении в пробирку они даже в условиях полной изоляции продолжают взаимодействовать двадцать четыре часа в сутки изо дня в день, как ни в чем не бывало.

«В устройстве эндогенных часов растений, животных и грибов намного больше неопределенности, – отметила Голден. – В сущности, это суммарный эффект некоторых событий, в которых фигурирует множество различных сил. Внутренние часы цианобактерий необычны тем, что они вещественны: мы имеем дело с реальным устройством, которое можно поместить в пробирку, и оно будет продолжать работать».

Предполагается, что некоторые органеллы клеток, в особенности митохондрии, вырабатывающие энергию для метаболических реакций, а также, к примеру, хлоропласты, в которых осуществляется фотосинтез, происходят от автономных прокариотических микроорганизмов, поглощенных другими клетками, которые не были утилизированы в ходе метаболизма, а стали, по сути, внутренними симбионтами клетки-хозяина. Я поинтересовался, не могло ли что-то похожее произойти и с белковыми часами: существовал ли когда-нибудь подобный механизм в природе независимо, до интеграции с клетками цианобактерий, на положении позаимствованных часов или, возможно, он существует до сих пор, на что последовал отрицательный ответ. По словам Голден, ученым удалось вызвать репликацию белковых часов внутри живой клетки исключительно за счет высокоточных лабораторных техник. Тем не менее само их существование говорит о большой надежности и простоте устройства. Получив в распоряжение подходящий контейнер и всего лишь горсть деталей, естественный отбор довольно быстро изобретет точные часы, которые будут в готовом виде передаваться из поколения в поколение.

Действительно, при делении клеток цианобактерий белковые часы распадаются на две части и все равно продолжают тикать, не сбиваясь с такта. Из двух бактерий получаются четыре, потом восемь, затем шестнадцать бактерий и в конце концов – миллионы идентичных клеток, содержащих одинаковые модели часов, большей частью синхронизированных в едином ритме времени. Часы состоят из множества белков, упакованных в мешок клеточной мембраны, внутри которого происходят все взаимодействия между белковыми молекулами. Когда мешок делится пополам, белки также делятся поровну, но сам часовой механизм при этом остается незатронутым и продолжает воспроизводить прежний ритм даже в новой упаковке. Поскольку принцип действия белковых часов не связан с ДНК организма, срок их службы превышает продолжительность жизни отдельной клетки. Глядя на мутную пленку, заволокшую пруд возле моего офиса, невозможно догадаться, что перед вами простирается единый циферблат белковых часов миллиардов клеток цианобактерий.