Наука еще не сделала окончательного выбора между этими возможностями. До сих пор не установлено точно, пользуются организмы внутренними или внешними часами. Американский ученый Ф. Браун считает, что магнитное и электрическое поле Земли, изменяясь в течение суток и на протяжении года, играет роль датчика времени для биологических ритмов, обеспечивает отсчет времени организмами. Советский биофизик А. С. Пресман, разделяющий эту точку зрения, подчеркивает, что источником информации о суточном ритме в природе могут служить суточные колебания интенсивности космических лучей, электрического и магнитного поля Земли, радиоизлучения Солнца. Многочисленные опыты показывают, что организмы, помещенные в условия постоянного освещения, температуры, давления и т. п.,— упорно и длительно продолжают сохранять суточную периодичность функций и процессов. По мнению Ф. Брауна, слабые колебания магнитного и электрического полей выполняют роль внешних часов, перенося внутрь организмов, живых клеток информацию о суточной (и годичной) динамике процессов в земной природе.
Однако подавляющее большинство специалистов по биохронометрии придерживаются противоположной точки зрения; они предполагают существование в клетках и живых организмах собственных, внутренних биологических часов. Этот вывод опирается на большой исследовательский материал. Если инфузорию, устрицу, таракана или фасоль поместить в специально созданные условия постоянной температуры, влажности, освещения и длительно исследовать у них ритмику жизненных процессов, выясняется одно любопытное обстоятельство. Ритмичность функций и процессов действительно сохраняется длительно. Но эти ритмы лишь приблизительно совпадают с суточным ритмом в природе. Даже у организмов одного вида, у близких родственников эти ритмы не одинаковы и чаще всего отличаются от 24-часовой периодичности земных суток. В условиях полной темноты у одного из тараканов период колебаний может быть равен 23 часам, у второго — 26 или 28 часам. Эти ритмы получили название околосуточных, или циркадных.
Индивидуальная частота колебаний сохраняется очень стабильно. Можно ли ее нарушить, изменить? Оказывается, можно. Если темноту камеры, где содержатся подопытные «живые хронометры», прорезать на тысячную долю секунды лучом света, произойдет неожиданное. Независимо от того, в какое время суток произошла световая вспышка, «заключенные» принимают ее за точку нового отсчета времени, за начало циркадного цикла. И все живые организмы (тараканы, мухи, растения и т. п.), длительно пребывавшие в темноте и обладающие своими собственными, индивидуальными часами, спешащими или отстающими по сравнению с временем суток, как бы подводят свои часы, устанавливают их заново. Все начинают использовать световую вспышку как точку отсчета времени. Иными словами, свет в этом опыте играет роль синхронизатора жизненных процессов, индивидуальных циркадных ритмов, роль сигнала точного времени для всех биологических часов. Отсчет от нулевой точки каждый организм ведет, пользуясь индивидуальным циркадным ритмом.
Большинство ученых истолковывают эти данные так. Очевидно, каждый организм имеет свои внутренние, наследственно обусловленные биологические часы, свой личный циркадный ритм, в пределах которого фазы деятельности и покоя, возбуждения и торможения автоматически сменяют друг друга. У каждого организма ритмы различных процессов либо совпадают, либо скоординированы так, что на протяжении периода одного ритма укладывается целое число периодов другого ритма. Иными словами, в каждом живом существе имеется целая иерархия ритмов, подчиняющаяся одному главному (циркадному) ритму. Более частые колебания выглядят при этом как мелкая рябь па поверхности крупных волн. А главный, циркадный ритм все время как бы проверяется, корректируется сигналами из внешней, природной среды, оповещающими о длине земных суток.
Существование биологических часов признается не всеми учеными. Однако ясно, что, если они существуют, точность их хода, их увязка с колебаниями физических условий на Земле, их синхронизация и «завод» осуществляется светом, солнечным лучом. Ни температура, влажность или скорость ветра, а именно свет, переходы от дня к ночи и обратно, ежедневный ритм освещения постоянно закручивает пружину жизни, проверяет точность хода биологических часов.
Ну, а если живые существа своего механизма отсчета времени не имеют? Тогда роль Солнца в регуляции жизненных процессов еще больше. В этом случае Солнце прямо, своим световым излучением, или косвенно, через изменение параметров электрического и магнитного поля Земли, вносит порядок, временную организацию в течение жизненных процессов, выполняет роль уже не синхронизатора, а регулятора биологических процессов.
Окончательное решение вопроса о природе и месте расположения биологических часов — впереди. Но уже сегодня можно дать научное объяснение устройству внутриклеточного механизма отсчета времени. Очевидно, самым первым клеточным ритмом было чередование периодов синтеза, самоудвоения молекул ДНК. Это единственные молекулы, способные к самоудвоению, и повторение циклов их воспроизведения могло служить первичным способом отсчета времени. Роль биологических часов могут играть и другие циклические внутриклеточные процессы, отличающиеся короткой периодичностью. Некоторые ученые придают главное значение энергетическим процессам (зарядке и перезарядке клеточных мембран), физическим колебаниям типа объединения молекул в комплексы и их разъединения, движениям частиц в протоплазме, разнообразным химическим реакциям. Известно, например, что многие внутриклеточные реакции обмена веществ замедляются и приостанавливаются, когда накапливается большое количество конечных продуктов этой реакции. Механизм отрицательной обратной связи обеспечивает волнообразное течение биохимических реакций, ритмичное колебание их активности вокруг средней величины. Такие реакции пригодны для отсчета времени.
Каждая клетка обладает подобного рода биохимическими хронометрами. У одноклеточных и растений этим дело ограничивается. У животных же образуется одна какая-то группа клеток, берущая на себя роль ведущего регулятора ритмов, главных часов организма. У млекопитающих и человека такой «пульт управления» ритмами расположен, по-видимому, в подкорковых центрах мозга: зрительном бугре, подбугровой и сетчатой областях и в гипофизе. Суточная периодичность жизненных функций у животных с удаленными полушариями головного мозга сохраняется полностью. Находящиеся в подбугровой области центры углеводного, жирового, водно-солевого обмена, температуры тела оказывают синхронизирующее влияние на все клетки организма через вегетативную нервную систему и железы внутренней секреции, которыми управляет гипофиз. Чем выше уровень организации, тем точнее работают биологические часы, ближе циркадный ритм к суточному, тем труднее его сдвинуть.
Наряду с циркадным ритмом существуют и более продолжительные жизненные циклы, зависящие от изменения длительности и силы освещения. К их числу относятся лунные, годичные ритмы и приливно-отливные ритмы, присущие многим обитателям прибрежных вод. По-видимому, в этих случаях единый механизм отсчета времени; одинаков и регулятор, и синхронизатор — свет. У растений свет воспринимается листьями, у животных — светочувствительными клетками кожи и сетчатки глаз.
Сезонные колебания освещения, температуры, влажности имеют чрезвычайно важное значение для всех органических видов, так как с ними увязывается цикл размножения организмов. Приспособленность живых существ к земным условиям жизни выражается, в частности, в том, что они выводят потомство, приступают к цветению и плодоношению в строго определенные, наиболее благоприятные для этого периоды. Растения короткого дня зацветают в период, когда длительность светового дня уменьшается, т. е. осенью. Растения длинного дня зацветают весной, на фоне удлиняющегося светлого времени суток. Под влиянием света в молодых зеленых листьях вырабатываются гормоны, способствующие зацветанию.
У животных с увеличением длительности дня тоже усиливается деятельность желез внутренней секреции, особенно половых, что благоприятствует весеннему размножению. Рождение потомства в этом случае приходится на теплое время года, и к наступлению холодов молодняк успевает обычно «стать на собственные ноги».
Итак, все живое на Земле, все жизненные процессы в теле бактерий и высших растений, инфузорий и человека совершаются ритмично, волнообразно. Каждый живой организм — это система, иерархия взаимодействующих, скоординированных, соподчиненных ритмов, от короткопериодических (исчисляемых долями секунды, минутами, часами) до суточных, лунных, годичных ритмов. Суточный, циркадный ритм, очевидно, основной из них. Синусоида, волнообразная кривая, описывающая эту суточную ритмику, очень проста. Но на каждом витке кривой, на каждом ее изгибе размещается несколько более мелких волн второго порядка. Более внимательный анализ позволяет выявить и волны третьего, четвертого, пятого порядков — все более мелкую рябь на гребнях волн. Непрерывная соподчиненность ритмов прослеживается и в другом направлении, т. е. суточная волнообразность накладывается на более медленные, но отличающиеся большей амплитудой месячные и годичные волны. В системе волн господствует четкая координация ритмов.
