Рис. 3.2. Быстрые и медленные циркадные ритмы у цианобактерий. Циркадные ритмы двух штаммов цианобактерий с периодами приблизительно 23 и 30 часов. Бактерии были генетически сконструированы для излучения света способом, пропорциональным концентрации определенного белка. Когда эти штаммы вынуждены конкурировать друг с другом за ресурсы в условиях 23-часовой светлой темноты, 23-часовой штамм победит; напротив, если их поместить в 30-часовой цикл свет-темнота, 30-часовой штамм победит. (Адаптировано с разрешения Johnson et al., 1998.)

Эволюционное преимущество умения определять время суток (т. е. наличие хороших внутренних часов) было продемонстрировано в изящном эксперименте с разными штаммами цианобактерий. Представьте циркадные ритмы двух штаммов: один имеет короткий цикл около 23 ч, другой — более длинный, около 30 ч. Исследователи поместили оба штамма на одну чашку Петри с целью установить, какой из них в конечном итоге завоюет все пространство. Важно, что эксперимент был поставлен в двух вариантах: в одном варианте свет включали и выключали через каждые 11 ч, имитируя сутки длительностью 22 ч (что близко к естественному 23-часовому циклу для первого штамма), а в другом — через каждые 15 ч, имитируя сутки длительностью 30 ч. Через месяц выяснилось, что в тех условиях, где выдерживался 22-часовой ритм, доминировали бактерии с коротким суточным циклом. Напротив, в условиях 30-часового ритма преобладали бактерии с более длинным циклом49. Понятно, что наличие 22-часового цикла при 30-часовой длительности суток или наличие 30-часового цикла при 22-часовой длительности суток приводило к несовпадению световой фазы и фазы активности клеток и, следовательно, к пониженной эффективности использования света. Таким образом, мало иметь биологические часы, необходимо, чтобы их период соответствовал естественному циклу внешних изменений. Только тогда организм получает эволюционное преимущество.

Таким образом, одно из преимуществ обладания внутренними часами заключается в оптимизации фотосинтеза, но, возможно, оно было не первым. Не менее важным для жизни является умение делиться и воспроизводиться. Ключевой этап клеточного деления заключается в репликации ДНК, в которой записаны все необходимые для жизни инструкции. Репликация ДНК чрезвычайно чувствительна к ультрафиолетовому (УФ) излучению (именно по этой причине многократные солнечные ожоги повышают риск развития рака кожи, и именно поэтому на тюбиках солнцезащитного крема указаны единицы экранирующей активности). Ультрафиолетовое излучение чрезвычайно опасно для одноклеточных существ, у которых нет таких защитных органов, как кожа, наполненная поглощающим ультрафиолет пигментом меланином. Клетки, делящиеся в условиях сильного УФ-излучения, рискуют повредить свою ДНК, а ночью этот риск снижается. По этой причине некоторые биологи выдвинули так называемую гипотезу «спасения от света», которая гласит, что поначалу эволюция циркадного ритма была направлена на то, чтобы заставить клетки делиться в ночное время50.

МЕХАНИЗМ БИОЛОГИЧЕСКИХ ЧАСОВ

А теперь вернемся к главному вопросу: как отдельно взятая клетка определяет точное время суток? Первый шаг в поисках ответа на этот вопрос сделали лауреат Нобелевской премии Сеймур Бензер и его студент Рон Конопка из Калифорнийского технологического института в начале 1970-х гг.51

Лаборатория Бензера изучала знаменитую фруктовую муху Drosophila melanogaster, которая, как и все мухи, начинает жить в виде личинки. Сначала личинка окружает себя оболочкой (пупарием) и превращается в куколку, а из куколки через несколько дней появляется взрослое насекомое. Процесс высвобождения из оболочки строго координирован по времени. Насекомые вылупляются в ранние утренние часы, чтобы избежать высушивания под действием солнечных лучей. С целью изучения генетики внутренних часов Конопка искал мутации, которые заставляли бы насекомое вылупляться в неправильное время. Он нашел три такие мутации: одна возникала в разное время на протяжении жизни, вторая возникала рано, а третья поздно. В полной темноте все мутанты вели себя примерно одинаковым образом: взрослые особи были либо активны в разное время суток с разными интервалами, а их свободный цикл составлял 19 ч, либо имели аномально длинный цикл протяженностью целых 28 ч. Конопка обнаружил, что все три мутации происходили в одном и том же гене, который он назвал Period.

Через 10 лет исследовательская группа под руководством Майкла Росбаша выделила этот ген и определила его нуклеотидную последовательность52. В дальнейшем были обнаружены другие гены, играющие ключевую роль в функционировании биологических часов; таким генам часто дают соответствующие названия, например, Clock, Cycle или Timeless.

Процессы с участием этих генов и их продуктов, приводящие к установлению стабильного циркадного ритма, весьма сложны, но общий принцип прост. Настолько прост, что понять его можно на примере устройства туалетного бачка. Каждый раз, когда вы спускаете воду в туалете, бачок вновь заполняется водой, но перелива не происходит. Когда вода находится на нижнем уровне, соединенный с клапаном поплавок опускается, клапан открывается, и уровень воды поднимается. При этом поплавок поднимается вверх и закрывает клапан. Если проделать в бачке маленькое отверстие, через которое постоянно могла бы подтекать вода, поплавок в какой-то момент опустился бы достаточно низко, чтобы открыть клапан и заполнить бачок. Так происходят осцилляции: медленное снижение уровня воды в какой-то момент приводит к открытию клапана, уровень воды повышается, и приток воды прекращается. Затем вода снова начинает медленно подтекать, и процесс возобновляется. И если ваш туалет среди ночи по какой-то причине начинает издавать звуки, вполне вероятно, что он осциллирует в результате протечки клапана.

Биологические часы устроены сложнее туалетного бачка, но принцип тот же, хотя механизм, управляющий действием этих часов, носит труднопроизносимое название: саморегулирующаяся транскрипционно-трансляционная петля обратной связи. Транскрипционная — потому что закодированные в ДНК гены транскрибируются в РНК. Трансляционная — потому что эти молекулы РНК транслируются в белки. А «саморегулирующаяся петля обратной связи» означает, что эти белки ингибируют дальнейшую транскрипцию тех самых генов, которые привели к их синтезу (тем самым закрывая водяной клапан). Один такой белок носит название Period — это продукт гена Period. Концентрация белка в клетке постепенно нарастает, и в какой-то момент сам белок отключает ген, с которого синтезируется. Затем белок постепенно разрушается, ген вновь начинает действовать, и это приводит к росту концентрации белка. Догадайтесь, сколько времени длится этот цикл?