Биологические часы - Шноль С.Э.

Автор: Шноль С.Э.

Теги: биология биохимия физиология биофизика

Год: 1964

Похожие

Биологические часы

Биологические часы (краткий обзор хода исследований и современного состояния проблемы биологических часов)

Биологическая кибернетика

Биологическая химия

Текст

БИОЛОГИЧЕСКИЕ

COLD SPRING HARBOR SYMPOSIA
ON QUANTITATIVE BIOLOGY
Volume XXV
Biological Clocks
О
THE BIOLOGICAL LABORATORY
COLD SPRING HARBOR, L. I., NEW YCRK
196 1
БИОЛОГИЧЕСКИЕ
ЧАСЫ
Перевод с английского
под редакцией и с предисловием
с. э. ш н о л я
ИЗДАТЕЛЬСТВО «МИР»
Москва 19 64
Биологические процессы организованы не только в пространстве,
но и во времени. Все организмы обладают способностью довольно точно
измерять время. При помощи «биологических часов» в организме уста-
навливаются суточные, сезонные и годовые ритмы различных физиоло-
гических процессов.
В сборник включена большая часть работ, доложенных на Между-
народном симпозиуме по биологическим часам, состоявшемся в 1960 г.
В статьях-докладах видных ученых рассматриваются биофизическая и био-
химическая природа биологических часов, зависимость ритмов биологи-
ческих процессов у животных и растений от внутренних и внешних
условий.
Сборник является как бы продолжением книги Бюннинга «Ритмы
физиологических процессов» (ИЛ, 1961), однако проблема биологиче-
ских часов рассмотрена в нем шире и глубже, особенно в отношении
животных.
Книга представляет большой интерес для очень широких кругов
читателей — физиологов, биофизиков, биохимиков, физиков, как науч-
ных работников и преподавателей, так и студентов.
Редакция биологической литературы
ПРЕДИСЛОВИЕ К РУССКОМУ ИЗДАНИЮ
В научной литературе не часто появляются книги, представляющие
интерес для исследователей самых разных специальностей. Книга «Биоло-
гические часы» относится к числу именно таких книг. Она посвящена
проблеме, интересующей врачей и агрономов, пчеловодов и орнитологов,
садоводов и ихтиологов, биохимиков, биофизиков и физиологов. Суть этой
проблемы — доказательство существования у большинства живых организ-
мов внутренней, передающейся по наследству способности измерять время.
Работа эндогенных «биологических часов» в нормальных условиях кор-
релирует с периодическими процессами, протекающими во внешней среде-
Эта корреляция осуществляется под влиянием периодической смены дня
и ночи (световые циклы), а также периодических изменений температуры.
Без таких внешних «временных ориентиров» (датчиков времени1) часы орга-
низма обычно начинают идти с периодом, отличным от 24-часового, в резуль-
тате чего синхронность внутренних и внешних периодических процессов
нарушается.
Значительное число статей симпозиума посвящено закономерностям
взаимодействия эндогенных часов организма с внешними датчиками времени.
Сопоставление хода внутренних часов с периодическими процессами во
внешней среде (например, с изменением соотношения длины дня и ночи
в течение года) обусловливает ряд замечательных свойств многих живых
существ. В частности, оно позволяет растениям и животным приспосабли-
ваться к смене времен года. Пользуясь внутренними часами, сопоставляя их
«показания» с местным временем, птицы, рыбы, насекомые совершают целесо-
образные миграции, находят места гнездования, нереста или источники
пищи. Как показано в ряде статей, способность ориентироваться в про-
странстве, в частности ориентация по солнцу или звездам, определяется
работой внутренних биологических часов.
При этом замечательна чувствительность организмов к очень небольшо-
му расхождению хода эндогенных и внешних периодических процессов.
При ориентации по солнцу и звездам, при определении времени года по
знаку изменения световых циклов2 животным и растениям приходится
определять время с точностью до минут. Такая «точность хода» биологи-
ческих часов дает основание думать, что в основе циркадных ритмов лежат
процессы с относительно коротким периодом. Сколько-нибудь глубокий
анализ природы и механизмов взаимодействия периодически меняющихся
1 В книге немецкое слово Zeitgeber переводится как «датчик времени»— это
понятный, хотя и не вполне строгий термин (датчиком обычно называют часть при-
бора, преобразующую внешние сигналы).
2 Отличить весну от осени по отношению длины дня и ночи невозможно: нужно
знать, убывает или прибавляется ден*>.
6
Предисловие к русскому изданию
процессов возможен лишь на основе современных представлений об общих
свойствах колебательных систем, на основе рассмотрения физических и мате-
матических особенностей данного периодического процесса. Мощным сред-
ством изучения природы биологических периодических процессов может
стать построение аналоговых и цифровых моделей.
Этому общему подходу к изучению биологических часов посвящен ряд
статей симпозиума (статьи Мерсера, Эрета, Вевера, Шмитта, Клоттера).
Изучение природы приспособления живых организмов к окружающей
среде обычно сводится к исследованиям трех типов: прежде всего выясняет-
ся феноменология, закономерности проявления изучаемого способа при-
способления. Затем исследуется локализация «механизма», ведущих «узлов»,
обусловливающих эту феноменологию в организме. Наконец, когда фено-
менология и локализация известны, исследуется природа, физическая
и химическая сущность изучаемого «механизма». Первый, феноменологи-
ческий, этап изучения биологических часов в основном завершен. Факт
существования эндогенных биологических часов можно считать установлен-
ным. Известно множество удивительных явлений, возможных только благо-
даря наличию часов в организмах.
Естественно возникают вопросы второго типа: где расположен этот
«механизм», какая степень сложности живых систем необходима для функ-
ционирования часов?
Предварительные ответы на вопросы этого типа уже получены. Ясно,
что «механизм» биологических часов может быть локализован внутри одной
клетки. (Удобными объектами изучения суточных ритмов служат однокле-
точные организмы Gonyaulax, Euglena и др.) В многоклеточных организмах,
вероятно, существует иерархия ритмов и часы отдельных клеток синхрони-
зируются с суточными ритмами «ведущих клеток». Найти такие задающие
ритм клетки очень важно. Не исключено, что они управляют ходом часов
подчиненных клеток нейро-гуморальным путем. Замечательным достижением
в этой области можно считать работы Жаннет Харкер (см. стр. 460),
сумевшей посредством тонких экспериментов «найти часы» в подглоточном
ганглии таракана. Весь ритм суточной активности таракана определяется
ходом часов в нескольких поверхностных клетках этого ганглия. Гумораль-
ный механизм «временной регуляции» показан и в другой работе, представ-
ленной в симпозиуме (статья Мори о суточных ритмах морского пера).
Можно надеяться, что в недалеком будущем и у позвоночных животных будет
найден центр (типа дыхательного центра в продолговатом мозгу), опре-
деляющий ход часов организма в целом.
Таким образом, есть все основания для быстрого прогресса исследова-
ний на «макрофизиологическом» уровне, в результате которых будет най-
ден ответ на вопросы второго типа: где расположены часы в организме.
Установление внутриклеточной локализации часов, обнаружение их у одно-
клеточных организмов ставит на очередь вопрос о том, с какими структурами
клетки связан механизм биологических часов. Не исключено, что суточная
периодичность обусловлена не какими-то отдельными органеллами клетки,
а, например, взаимодействием митохондрий, рибосом и ядра. В этом смысле
знаменательно неоднократно повторяющееся в книге обобщение: суточные
ритмы (биологические часы) свойственны лишь клеткам, в которых ядро
четко отграничено от цитоплазмы специальной мембраной, т. е. клеткам,
имеющим наружную клеточную мембрану (оболочку) и внутреннюю ядер-
ную мембрану («двухоболочечные» клетки). У бактерий и других «одно-
оболочечных» организмов суточные ритмы не найдены. Однако это обобще-
ние еще нельзя считать доказанным. Действительно, из того, что только
Предисловие к русскому изданию
7
организмы с обособленным ядром проявляют суточную периодичность, не
следует, что «часы» обусловлены именно наличием ядра. Это вполне возмож-
но, но не следует забывать, что бактерии отличаются, например, от низших
водорослей отнюдь не только отсутствием ядра. У бактерий существенно
иной химический состав внешней оболочки, иной белковый состав цитоплаз-
мы (у них, вероятно, нет актомиозиноподобных белков) и т. д. Однако пред-
положение о том, что суточная периодичность обусловлена наличием ядер-
ной мембраны, стимулирует исследование закономерностей кинетики актив-
ного транспорта и диффузии веществ через мембраны.
Тем самым вопросы о локализации часов переходят в вопросы третьего
типа: какова природа процессов, обусловливающих суточную периодич-
ность? Как было только что сказано, одной из возможностей является соче-
тание диффузии и процессов биосинтеза — сочетание, приводящее к перио-
дическому изменению свойств клеток. Мы уже видели, что высокая точность
хода биологических часов заставляет предположить существование колеба-
тельных процессов с относительно коротким периодом. В настоящее время
трудно сказать, в какой мере диффузия и процессы биосинтеза могут при-
вести к периодическим процессам с периодами порядка нескольких минут
и менее. В любом случае ясно, что проблема механизмов химических и физи-
ко-химических периодических процессов, оживленно обсуждавшаяся в лите-
ратуре в начале и в первой половине нашего века [1], приобретает теперь
особую актуальность. Периодические процессы в гетерогенных системах,
состоящих из разных фаз, известны давно и довольно полно изучены. Наи-
более известный пример процессов такого рода — периодическое образова-
ние осадков при диффузии (кольца Лизеганга и пр.). Математическую теорию
этих явлений можно найти в работе Зельдовича и Тодеса [2].
Возможно, что первичным периодическим процессом, определяющим
ход внутриклеточных часов, являются именно такие процессы. Однако не
менее вероятно и то, что стабильные, относительно высокочастотные перио-
дические процессы осуществляются и в гомогенной среде. Такие процессы
еще очень мало изучены. Их возможные механизмы обсуждает Д. А. Франк-
Каменецкий [3]. По мнению Христиансена [4], вполне вероятно, что кине-
тика реакций, катализируемых ферментами, носит периодический харак-
тер и что Это имеет важное физиологическое значение. По-видимому, наибо-
лее демонстративно периодическая кинетика реакций в гомогенной среде
показана Б. П. Белоусовым [5] в открытой им реакции. Эта и ряд других
похожих реакций были изучены А. М. Жаботинским [6]. На 1-м Международ-
ном биофизическом конгрессе Спэнглер и Снелл [7] сообщили, что для
уравнений ферментативных реакций одного определенного типа найдено
периодическое решение.
Таким образом, вполне вероятно, что суточная периодичность основана
на химических или физико-химических периодических процессах. Длитель-
ность периодов этих процессов мала, и в ходе одного суточного цикла
осуществляется множество «элементарных химических осцилляций». Здесь
явно напрашивается буквальная аналогия между биологическими и обыч-
ными часами. Точность хода механических часов обусловлена стабильностью
частоты быстрых колебаний маятника. Пока часовая стрелка завершает
суточный цикл, маятник осуществляет множество колебаний.
Если бы это было так, то нужно было бы найти не только «маятник»—
первичный короткопер иодный колебательный процесс, но и механизм
«деления частоты»— аналог зубчатых колес в часовом механизме. Однако
сейчас, вероятно, рано еще говорить о механизме деления частоты, нужно
еще найти «маятник». В связи с этим уместно упомянуть о явлении, в тече-
8
Предисловие к русскому изданию
ние ряда лет изучаемом в нашей лаборатории [8—10]. В растворах белков
актомиозинового комплекса — актомиозина, актина и миозина — были
обнаружены спонтанные колебания ферментативной (АТФ-азной) активно-
сти, концентрации свободных SH-групп и других свойств, определяемых
состоянием поверхности белковых молекул. Частота этих колебаний, равная
по-видимому, 0,5—0,05 гц, и их амплитуда мало зависят от температуры
и сильно меняются при изменении pH и ионной силы. В ряде работ (см.
статьи Суини и Гастингса, Раусона, Калмуса и Уигглсуорса в настоящем
сборнике) слабая зависимость от температуры считается характерным свой-
ством биологических часов. Белки актомиозинового комплекса содержатся
в гиалоплазме, митохондриях и клеточной оболочке всех клеток. Мы, как
и Бюннинг (стр. 17), полагаем, что периодические процессы, протекающие
в белках актомиозинового комплекса, могут быть использованы организ-
мами для измерения времени.
В настоящее время, однако, совершенно невозможно выбрать одного
«претендента» на роль «маятника» из многих вероятных кандидатов. Более
того, может оказаться, что механизм часов различен у разных организмов,
в частности у растений и животных. В связи с этим пристального внимания
заслуживают работы по вновь открытому пигменту растений — фитохрому
(см. статью Хендрикса в настоящем сборнике). Пигмент этот может сущест-
вовать в двух формах с максимумом поглощения при 660 или при 735 м\х.
Особенно важно, что под влиянием света с длиной волны 660 мц пигмент
Р660 превращается в пигмент Р735. Последний же может превратиться вновь
в Р66о под действием света с длиной волны 735 мц. Для утверждений, что
эти два пигмента образуют колебательную систему, еще мало оснований —
необходимы кинетические исследования. Но вполне возможно, что эти пиг-
менты ответственны за фотопериодические реакции у растений.
Итак, первичный периодический процесс, лежащий в основе механизма
биологических часов, возможно, представляет собой гетерогенную или
гомогенную химическую периодическую реакцию.
Возможно также, что колебания «маятника» биологических часов обус-
ловлены взаимной регуляцией внутриклеточных систем. При этом период
таких колебаний может быть достаточно большим. Представим себе две соеди-
ненные регуляционными связями системы. Одна из них вырабатывает
какое-либо вещество А. Другая обусловливает исчезновение этого вещества
из объединенной системы. При этом первая начинает вырабатывать вещест-
во А лишь тогда, когда его содержание падает ниже некоторого критичес-
кого уровня, а вторая начинает «уничтожать» вещество А лишь тогда, когда
его содержание превысит некоторый верхний критический уровень. В резуль-
тате мы получим типичную гомеостатическую относительно вещества А
систему.' При определенных условиях, при инерционности, замедленности
проведения регуляционных сигналов содержание вещества А будет все
время колебаться около некоторого гомеостатического «среднего» уровня.
(Примером таких «гомеостатических», регуляционных колебаний, по-види-
мому, могут служить колебания содержания различных веществ
в крови [11].)
Все компоненты клетки связаны сложной сетью регуляционных связей.
Уровень гликолиза в гиалоплазме регулируется состоянием митохондрий
[12], окислительное фосфорилирование в митохондриях зависит от состава
окружающей гиалоплазмы, синтез белка в рибосомах зависит от ш-РНК,
образующейся в ядре, и т. п. Открытие явления торможения активности
одних ферментов продуктами других (аллостерическое торможение), слож-
ные закономерности активации и совместного функционирования ферментов
Предисловие к русскому изданию
9
требуют тщательного анализа возможности таких «регуляционных колеба-
ний» в разных системах, анализа причастности таких колебаний к биологи-
ческим часам.
В связи со всем сказанным понятно особое значение исследований при-
роды клеточных часов на чисто биохимическом уровне. Пока таких работ
крайне мало. В этой книге такое направление представлено по-настоящему
лишь одной работой Гастингса (стр. 220). Однако в его работе приведены
весьма важные данные о характере действия различных метаболических
ядов на ход часов Gonyaulax. Необходимо при этом иметь в виду, что обна-
ружение действия того или иного, даже специфического, метаболического
яда нельзя само по себе считать признаком того, что ведущую роль в меха-
низме биологических часов играет именно тот процесс, который заторможен
ингибитором. В свете сказанного о «регуляционных колебаниях» кажется
вполне вероятным, что относительно слабое торможение каких-либо вторич-
ных регуляторных процессов может весьма сильно нарушить колебания
в системе в целом. Интересно, что по данным Гастингса, большинство мета-
болических ядов не нарушает суточную периодичность у Gonyaulax. В то же
время Брюс и Питтендрай [13] обнаружили, что при замене Н2О на D2O
суточная периодичность фототаксиса Euglena резко нарушается, хотя,
казалось бы, такая замена не действует на отдельные стадии метаболизма.
В своей работе, опубликованной после симпозиума, Гастингс и Карака-
шян [14] сообщили о новых результатах биохимических исследований при-
роды биологических часов. Оказалось, что весьма сильное действие на ход
часов оказывает антимицин D, известный своим тормозящим действием на
синтез т-РНК.
Выяснение природы биологических часов, конечно, зависит от прогрес-
са биохимии, биофизики и физиологии; но можно не сомневаться, что разви-
тие этих наук в свою очередь сильно зависит от прогресса в исследованиях
эндогенных механизмов, ответственных за способность живых существ
измерять время. Вероятно, широкое распространение и большое значение
нелинейных, в том числе колебательных, процессов в клетке и многоклеточ-
ном организме требует изменения мышления биологов самых разных спе-
циальностей.
Мы отметили в начале предисловия, что настоящая книга представляет
существенный интерес для специалистов разных профилей. Действительно,
для того чтобы уметь пользоваться часами, не обязательно знать, как они
устроены.
Врач должен привыкнуть к мысли, что одни и те же терапевтические
мероприятия дают различный эффект в зависимости от того, в какое время
суток они проводятся. Он должен также всегда иметь в виду, что результаты
клинических анализов тоже зависят от этого временного фактора (статьи
Халберга, Хельбрюгге, Лоббан). Растениеводы, животноводы, пчеловоды,
физиологи и биохимики должны изменить свое отношение к «постоянным»
условиям — непрерывное освещение и постоянная температура отнюдь не
являются нормальными условиями. В соответствии с учением об эндогенной
периодичности при изучении влияния какого-либо фактора на организмы
нужно крайне осторожно относиться к принципу «прочих равных условий».
Равенство «прочих» условий может поставить «контроль» и «опыт» в совер-
шенно неравные условия.
Наконец, проблема биологических часов имеет еще и ряд «прикладных»
аспектов. Ориентация по звездам и солнцу, синхронизация внутренней пери-
одичности с приливным режимом, изменение периодичности под влиянием
искусственных световых циклов и т. п.— все это ставит ряд вопросов о при-
10
Предисловие к русскому изданию
роде восприятия этих внешних указателей, о природе рецепторов, механиз-
ме памяти и т. д., составляющих предмет развившейся в последние годы
новой науки -— бионики.
В то же время исследование феноменологии, локализации и природы
биологических часов — яркая иллюстрация важных новых приложений
классических биологических дисциплин. «Узкие» специалисты по отдельным
группам растений и животных оказываются вовлеченными в исследование
важнейшей общебиологической проблемы.
Рекомендуя эту книгу нашему читателю, мы должны с сожалением
отметить один ее недостаток — отсутствие ссылок на работы советских авто-
ров. Вместе с тем в нашей литературе проблемам суточной и сезонной
периодичности уделяется значительное внимание (см., например, работы
В. В. Ковальского, И. И. Гунара, А. Д. Слонима и их сотрудников).
С. Шнолъ
ЛИТЕРАТУРА
1. Шемякин Ф. М., Михалев П. Ф., «Физико-химические периодические
процессы», Изд. АН СССР, М.—Л., 1938.
2. Зельдович Я- Б., Тодес О. М., Ж- Физ. Хим., 23, 180 (1949).
3. Франк-Каменецкий Д. А., Успехи химии, 10, 373 (1941).
4. Christiansen J. A., Zeitsch. f. Elektrochem., 62, 225 (1958); Adv. in Enzy-
mol., 23, 83 (1961).
5. Белоусов Б. П., Сб. рефератов по радиационной медицине за 1958 г., стр. 145,
Медгиз, 1959.
6. Ж а б от и н с к и й А. М.., Биофизика, 9, № 3 (1964).
7. S р а п g 1 е г R. A., Snell F. М., Nature, 191, No. 4787, 457 (1962).
8. Ш н ол ь С. Э., Вопросы медицинской химии, 4, стр. 443 (1958).
9. Ш н о л ь С. Э., Руднева О. А. Никольская Е. Л., Ревель-
ская Т. А., Биофизика, 6, 166 (1961).
10. Ш н ол ь С. Э., 1-й Всесоюзный биохимический съезд, Тезисы докладов, вып.2,
стр. 117, 1964.
11. Ш н о л ь С. Э., Гришина В. И., Биофизика, 9, № 3 (1964).
12. См., например, работы НейфахаС. А. и сотр., 1-й Всесоюзный биохимиче-
ский съезд, Ленинград, 1964.
13. В г и с е, V. G. Р i t t е n d r i g h C. S., J. Cell, comp, physiology, 56, No. 1,
(1960).
14. Kar akashi an M., Hastings J. W., Proc. N.A.Sci, 48, No. 12, 2131
(1962).
3. БЮННИНГ
Биологические часы
ВСТУПИТЕЛЬНОЕ СЛОВО
О
В настоящее время биологи усиленно занимаются изучением проблемы
биологических часов. Явления, указывающие на способность растений
и животных измерять время, были обнаружены много лет назад, и экспери-
ментирование в этой области началось раньше, чем полагают многие из нас.
Краткий обзор этих первоначальных исследований введет нас в круг тех
проблем, которые должны явиться предметом нашего симпозиума.
При обсуждении этих проблем мы столкнемся прежде всего с тем меха-
низмом определения времени, при помощи которого живые организмы отме-
чают часы дня. Существование такого механизма у растений и животных
известно уже давно. Вначале было широко распространено мнение, что тако-
го рода процесс осуществляется по принципу песочных часов. Иными сло-
вами, предполагалось, что некий стимул (например, восход солнца или
переваривание пищи) приводит в действие определенный биологический
процесс, завершение которого отмечается сигналом, посылаемым в соответ-
ствующий орган. В качестве аналогий приводились такие процессы, как,
например, разрядка конденсатора. Однако теперь мы знаем, что у растений,
животных и даже у примитивных одноклеточных организмов существует
гораздо более совершенный способ измерения времени при помощи цикли-
ческих процессов. Имея часы, работающие на основе суточного цикла, можно
хранить информацию несколько дней, если не появится какой-либо фактор,
способный начать цикл нового измерения времени.
Давно установлено, что суточные колебания, длящиеся несколько дней
или недель, могут быть начаты одиночным стимулом; на этом основании
в течение ряда десятилетий говорилось об эндогенной, или автономной,
суточной периодичности. Более 200 лет назад уже было известно, что неко-
торые суточные периодические процессы не обязательно нарушаются, если
во время опыта прекратить чередование света и темноты или высокой и низ-
кой температуры. Насколько я знаю, астроном де Мэран [1] был первым,
кто описал опыты, показавшие, что у растений, выдерживаемых в темноте
при относительно постоянной температуре, можно обнаружить в основном
такую же суточную периодичность движения листьев, как и у растений,
выдерживаемых в условиях нормального чередования света и темноты. Эти
опыты были проведены де Мэраном в 1729 г. (не в 1927!). Еще более знамена-
тельно, что эти наблюдения были сделаны астрономом, которого особенно
интересовало вращение Земли вокруг своей оси. Это действительно забавно,
потому что наш симпозиум вполне мог бы называться «Приспособление
организмов к вращению Земли»! Дюамель [2] в 1758 г. подтвердил эти
12
Э. Б ю н н и н г
наблюдения опытами, проводившимися в пещерах, затем Цинн [3] в 1759 г.
сообщил об аналогичных результатах.
Позднее суточно-периодическим движением листьев заинтересовались
де Кандоль [4], Дютроше [5], Сакс [6, 7] и Гофмейстер [8]. Названные
авторы ясно понимали, что это движение вызывается внутренним суточным
ритмом, контролируемым чередованием света и темноты. Например, опыты
де Кандоля (1832) на бобовых, выращенных в условиях непрерывного осве-
щения, постоянной темноты или искусственно измененного цикла чередова-
ния света и темноты, заставили его говорить о «присущей растениям тенден-
ции осуществлять периодические движения». После ряда опытов к такому
же выводу пришел и Сакс.
Теперь можно видеть, что эти эксперименты, поставленные 230 лет
назад, подтвержденные и продолженные 100 лет спустя, имеют непосред-
ственное отношение к важнейшим современным физиологическим исследо-
ваниям,, касающимся трансмеридиональных воздушных перелетов и даже,
более того, межпланетных полетов.
Пфеффер [9], впервые применивший точные современные физико-хими-
ческие методы в области физиологии растений, вначале подвергал сомнению
результаты, полученные в первых работах. В 1873 г. он предполагал, что
эти результаты явились следствием проникновения света в комнату, в кото-
рой проводились опыты. Однако к 1875 г. собственные наблюдения Пфеффе-
ра [10] рассеяли его сомнения. Он увидел своими собственными глазами
продолжение суточно-периодического движения листьев растений, помещен-
ных в условия непрерывной темноты; правда, Пфеффер рассматривал это
движение не как результат внутренней, присущей растениям суточной пери-
одичности, но скорее как результат эффекта последействия предшествовав-
шего чередования света и темноты. В то же время Дарвин [11 ] в своей книге
«О способности растений к движению» подчеркивал внутреннюю природу
периодичности. Позднее Пфеффер, тщательно исследовав этот вопрос, так-
же изменил свою точку зрения и опубликовал большое количество работ,
явившихся ценным вкладом в наши знания об эндогенном суточном ритме
и его регуляции светом, температурой и другими факторами. Наиболее важ-
ные результаты Пфеффера, полученные на листьях Phaseolus и цветках
Calendula, описаны в его исчерпывающей, на 154 страницах, монографии [12].
Тот факт, что за период между 1729 и 1915 гг. удалось продемонстриро-
вать автономную суточную периодичность, не доказывает, однако, существо-
вания физиологических часов. Колебания с периодом 24 час можно считать
проявлением существования часов только в том случае, если они действи-
тельно используются для измерения времени. «Следящее» движение за
солнцем можно рассматривать как способ измерения времени лишь в част-
ном случае солнечных часов. В последнее столетие казалось весьма сомни-
тельным — и, действительно, это даже не обсуждалось,— чтобы суточные
колебания имели отношение к измерению времени и чтобы они имели, таким
образом, значение как факторы отбора.
Сам Дарвин [11] пришел в 1880 г. к почти полностью ламаркистской
интерпретации. Анализируя суточную периодичность движения листьев, он
писал: «Мы можем заключить, что периодичность является в какой-то
степени внутренним свойством». Затем Дарвин продолжал: «Пфеффер
отрицал это; он приписывал периодичность, продолжающуюся день или
два в темноте, наличию так называемого «последействия» (Nachwirkung)
света и темноты. Но мы не можем согласиться с цепью его доказательств».
Дарвин сравнивал явление внутренней суточной периодичности с «внутрен-
ней природой озимости и яровости у пшеницы» и продолжал далее: «Несом-
Биологические часы
13
ненно, что длительное культивирование семян.... в различных климатичес-
ких зонах должно оказывать на них какое-то действие».
Однако Дарвину никогда не приходило в голову, что эндогенный суточ-
ный ритм может служить фактором естественного отбора. Позднее (1905,
1908 г.) Земон [13, 14] также изучал суточно-периодическое движение
листьев и подтвердил существование эндогенного ритма. Он заявил: «Так
как эти эндогенно-ритмические движения не служат фактором отбора, мы,
конечно, имеем дело с закрепленным по наследству восприятием чередова-
ния света и темноты, т. е. с наследованием приобретенных свойств». Земон,
разумеется, принял стрелку часов за сами часы. Теперь мы знаем, что,
помимо периодического движения листьев, физиологические часы контро-
лируют множество других физиологических свойств. Значение часов как
факторов отбора определяется суточными вариациями именно этих других
свойств, а движение листьев представляет собой, вероятно, не более чем
второстепенное побочное явление.
Первым исследователем, которому удалось, фигурально выражаясь,
различить часы и их стрелки, был великий экспериментатор Юлиус Сакс.
В 1857 г. он пришел к выводу [6], что эндогенная периодичность движения
листьев основана на периодичности всего комплекса процессов развития.
То обстоятельство, что всеобщее значение эндогенных суточных ритмов
оставалось долгое время нераспознанным, объясняется неверием в существо-
вание эндогенных суточных ритмов, не поколебленным даже после работ
Пфеффера. Следующие два десятилетия нашего века характеризовались
попытками найти некий «фактор X», который, как предполагалось, является
причиной суточной периодичности физиологических процессов при постоян-
ной освещенности и температуре. Изучение суточной периодичности движе-
ния листьев в темной комнате выявило преобладание определенных фаз
движения в определенное время дня. В 1928 и 1929 гг. в процессе медицин-
ских исследований физиологического действия атмосферного электричества
мой покойный коллега Курт Стерн и я нашли, что движения листьев в этих
условиях регулировались не атмосферным электричеством или еще каким-
либо неизвестным космическим фактором, а скорее красным светом в темной
комнате [15]. До тех пор красный свет считался неактивным, хотя теперь
мы знаем, что эта область спектра даже более активна, чем любая другая,
и оказывает действие даже при очень низкой интенсивности и короткой
экспозиции. Конечно, результаты этих опытов не могут служить основанием
для отрицания возможного действия космических факторов во всех случаях
вообще.
Мы не удовлетворились открытием этого ранее неизвестного регулятора
часов, но попытались доказать действительно эндогенную природу ритмов.
Это доказательство основывалось на том, что такие ритмы часто дают откло-
нения от точно 24-часового периода. Мы нашли [15], что период движения
у Phaseolus имел среднюю продолжительность 25—26 час. Таким образом,
сразу стало ясно, что те ритмы, с которыми мы имели дело, являются не
истинно эндогенными суточными ритмами, а, как назвал их Халберг,
«циркадными»1 ритмами, т. е. ритмами, период которых близок к 24 час.
Следует отметить, что такие отклонения от точно 24-часового периода были
описаны задолго до нас. Много примеров таких отклонений приводит
Пфеффер [12]; еще до него де Кандоль [4] в 1832 г. открыл, что движение
листьев Mimosa pudica в полной темноте характеризовалось периодом,
1 Слово «циркадный» происходит от латинских слов «circa» (около) и «dies»
(день).— Прим. ред.
14
Э,Бюннинг
равным 22—23 час. Так или иначе, потребовалось около 200 лет экспери-
ментальных исследований, чтобы исчезли последние сомнения относительно
значения эндогенных циркадных ритмов — и это только для единственного,
по существу, ритмического явления, наиболее интенсивно изучавшегося
вплоть до наших дней, а именно явления суточного движения листьев.
Период этих циркадных ритмов может стать равным точно 24 час под влия-
нием нормального суточного чередования света и темноты. Периодическая
последовательность отдельных фаз ритма также определяется этим чередо-
ванием. Пфеффер уже установил основные правила, управляющие этими
регуляторными процессами. Кроме того, следует отметить, что в результате
изучения периодического движения листьев Canavalia ensiformis, проведен-
ного в Голландии Антонией Клейнхонте [16, 17], был выяснен ряд вопросов,
касающихся регуляции эндогенного ритма под влиянием чередования света
и темноты. Клейнхонте удалось показать, например, что выключение света
всего на 1 мин может задерживать или ускорять наступление очередной фазы
в зависимости от того, в какой момент был выключен свет. Известно, конеч-
но, что этот эффект обнаружен также на других растительных и животных
объектах.
Прежде чем перейти к рассмотрению более современных проблем, я дол-
жен отметить, что авторы ранних работ не ограничивались изучением только
движения листьев. Много десятилетий назад уже было обнаружено, что
огромное число физиологических процессов в организмах самых различных
растений и животных контролируется какими-то эндогенными ритмами.
Например, еще в 1894 г. Кизель [18] описал наличие устойчивого цикла
пигментации у членистоногих в отсутствие чередования света и темноты.
Однако, я думаю, следует все-таки сказать, что по-настоящему фундамен-
тальные исследования начались лишь около 30 лет назад, одновременно
с работой Клейнхонте. Здесь можно отметить, например, работу Форс-
грена [19] по изучению ритма превращений гликогена в печени, работы
Белинг [20] и Калмуса [21], открывших чувство времени у пчел, работу
Уэлша [22] по изучению изменения пигментации у Crustacea, работу по
изучению периодичности вылупления насекомых из куколок [23—25],
исследование по изучению суточного ритма Orthoptera [26] и т. д.
Около 30 лет назад был проведен ряд опытов с растениями и животными
с целью выяснить, можно ли эндогенные суточные колебания рассматривать
как один из видов постоянных модификаций. Вскоре было открыто, что
после предварительного воздействия на исследуемый объект измененным
в той или иной степени циклом чередования света и темноты или длитель-
ным выдерживанием на свету или в темноте постоянно появляются ритмы
с периодом около 24 час. Такие результаты были получены в опытах Клейн-
хонте [17], в которых она подвергала растения 8-часовому циклу чередова-
ния света и темноты. Далее, Бюннинг [27] и Валь [28] обнаружили подоб-
ные 24-часовые циклы у растений и пчел после выдерживания этих организ-
мов или даже после выдерживания предыдущего поколения на свету или
в постоянной темноте. Дальнейшие исследования природы этого явления на
других насекомых привели к тем же результатам [25, 29, 30]. Выдержива-
ние дрозофилы при постоянных условиях в течение 15 последовательных
поколений не смогло элиминировать эндогенный суточный ритм [25]. Нет
необходимости приводить здесь результаты более поздних работ, которые
только подтвердили и дополнили ранее установленные факты. В 1935 г.
я описал опыты по скрещиванию организмов, у которых периоды ритма
различны [35]. В целом, однако, генетические аспекты проблемы эндоген-
ных суточных ритмов изучены еще далеко не достаточно.
Биологические часы
15
Вопрос о роли периодичности как фактора естественного отбора встал
особенно остро после того, как было доказано, что так называемые эндоген-
ные «суточные» ритмы в действительности представляют собой циркадные
ритмы и что отклонения от точно 24-часового периода являются не только
фактором изменчивости, но и частично передаются по наследству.
До сих пор я лишь вскользь отмечал возможное отрицательное значение
такого рода факторов отбора, например, для стюардесс на трансмеридио-
нальных линиях и для людей в условиях космического полета. Как мы виде-
ли ранее, отрицая положительное значение периодичности в качестве факто-
ра отбора, Земон [13, 14] спутал часы и их стрелки. Вейсман [31], хотя
и косвенно, критиковал его за это и считал периодичность метаболизма
первопричиной существования ритма двигательной активности.
Значение основных периодических клеточных процессов как факторов
отбора не подлежит сейчас сомнению. Первые работы по фотопериодизму
у растений принадлежат Гарнеру и Алларду [32], а исследованиям J на
животных положили начало Маркович [33] и Роуэн [34]. Мы знаем, что
процессы, связанные с отсчетом времени в фотопериодических реакциях,
протекают не по принципу песочных часов, аскорее при посредстве внутрен-
них суточных колебаний. И именно эта корреляция, о которой я впервые
говорил в 1936 г. [43], является предметом нашего симпозиума. Однако
значение многих периодических колебаний как факторов отбора можно
проследить также в ряде других процессов развития и поведения растений
и животных. В качестве примера я могу привести навигацию по солнцу
у птиц и членистоногих. Мы знаем также о необходимости для многих
организмов выполнять определенные функции в определенное время дня.
В качестве примера можно привести периодичность вылета имаго дрозо-
филы и наличие «временной памяти» у пчел. В последнем случае особенно
ясно, насколько важно, что часы работают при помощи постоянных коле-
баний, а не случайных неповторяющихся процессов. Только поэтому пчелы
могут в течение нескольких дней с неблагоприятной погодой сохранять
информацию о лучших часах посещения районов с определенными видами
цветков. Иными словами, пчелы, не вылетая из улья день-два из-за плохой
погоды, еще в состоянии «вспомнить» время дня, зачастую строго определен-
ное, в которое цветки различных растений выделяют нектар. Подобных
примеров можно привести очень много. Таким образом, мы приходим к вы-
воду, что суточные периодические колебания у растений и животных вовсе
не являются роскошью, а действительно используются как часы.
Далее, совершенно очевидно, что для осуществления естественного
отбора необходимо наличие некоторого количества возможных вариантов,
среди которых можно сделать выбор. Мы имеем отчетливые доказательства
того, что колебания являются фундаментальным свойством всего живого.
Однако вовсе не обязательно, чтобы эти колебания на ранних стадиях эво-
люции были суточными или даже циркадными. Кажется даже более веро-
ятным, что они имели периоды, резко отличающиеся от 24 час. Ясно одно:
сами по себе колебания были необходимы для того, чтобы клетки периоди-
чески переходили из одного крайнего физиологического состояния, в кото-
ром преобладают анаболические процессы, в другое, где преобладают
катаболические процессы. Если эти крайние состояния не достигнуты,
некоторые физиологические функции в той или иной степени нарушаются.
Это выражается, например, в появлении неожиданных болезненных симпто-
мов у многих организмов, выдерживаемых при постоянном освещении.
И можно понять, почему эти симптомы снимаются при помещении объек-
та в темноту, скажем, на неделю: это позволяет колебаниям начаться
16
Э. Б ю н н и н г
снова, что в свою очередь обеспечивает требуемое физиологическое
состояние.
Таким образом, вовсе не обязательно, чтобы колебания были приспособ-
лены к вращению Земли. Но адаптация к вращению Земли привела к появ-
лению именно циркадных ритмов, эволюционировавших, по-видимому, из
колебаний с самыми разнообразными периодами, такими, например, какие
еще можно найти у многих грибов.
Начало физиологического процесса отсчета времени заключается в воз-
никновении суточного колебания. Если организм выдерживается в течение
всей жизни в условиях постоянного освещения или темноты, эти колебания
исчезают (у растений) или становятся значительно слабее (у животных); но
как мы знаем уже с 1931 г. [36], под влиянием одиночного стимула они воз-
буждаются снова. Условия инициирования этих колебаний и их последую-
щая регуляция различными циклами чередования света и темноты могут
много сказать нам о природе периодичности, и нам придется остановиться
на этом вопросе несколько позже. Мы увидим, что возникновение этих
колебаний переводит организмы в качественно отличное состояние, причем
смены этих противоположных состояний происходят приблизительно каждые
12 час. Эти чередования могут также приводить к периодическому изменению
характера реакции на воздействие светом и темнотой или высокой и низкой
температурой; именно это обстоятельство, как мне кажется, и лежит в осно-
ве явлений фото- или термопериодизма.
Однако теперь я хотел бы перейти к другим исследованиям, которые
выявляют важное значение физиологических часов в медицинских исследо-
ваниях. Существование часов доказано как у одноклеточных, так и в отдель-
ных клетках многоклеточного организма. Даже, у позвоночных колебания
в отдельных клетках или органах вовсе не обязательно подчиняются цен-
тральной гормональной регуляции. Это видно хотя бы из того, что перевод
животного или человека в новые условия чередования света и темноты
приводит к различным сдвигам отдельных фаз разных функций. Отдельные
суточные функции приспосабливаются к новым условиям с различной скоро-
стью: некоторым необходимо 2 или 3 дня, другим — неделю или больше.
Опыты с изолированными тканями или органами также указывают на суще-
ствование ритмичности, не связанной с центральной регуляцией. Так,
например, в определенных условиях можно полностью прервать взаимную
координацию отдельных тканей друг с другом. Например, ткань какой-либо
железы может находиться в стадии выработки своего гормона в то время,
когда другой орган, находясь в другой фазе, не может использовать этот
гормон; или другой пример — фермент может быть очень активен в какой-
либо ткани в то время, когда его субстрат еще недоступен. Каждому пере-
летавшему через океан человеку знакомы те физиологические недомогания,
которые могут возникнуть в результате такой потери координации между
отдельными органами. Как будет видно далее из материалов симпозиума,
в этом случае возможны и более серьезные заболевания, вплоть до возник-
новения рака. По-видимому, такие вопросы приобретают все большее зна-
чение в современной медицине. Не только воздушные путешественники или
космонавты, но и каждый из нас в наше время живет в таких условиях,
которые легко могут индуцировать подобные несбалансированные фазы
суточных колебаний в отдельных органах.
Но тот факт, что несколько циркадных функций в индивидуальном
организме не обязательно синхронизированы, т. е. не обязательно совпадают
по фазе, интересен не только для проблем медицины и патологии. Проведен-
ные недавно исследования в области изучения приливных и лунных ритмов
Биологические часы
17
показали, что именно различие периодов двух циркадных функций на
0,8 час позволяет организмам синхронизовать суммарный ритм с лунным
циклом. Таким образом, на основании изучения циркадных ритмов мы
можем проникнуть, как покажет наша сессия, в так называемую тайну
лунной периодичности.
Наиболее трудный вопрос, стоящий перед нашим симпозиумом, несом-
ненно касается работы самих часов. Природа действия часов не может быть
сведена к периодическому изменению скоростей биохимических фермента-
тивных реакций. Очень
малая зависимость длины ь— 21 в—+—25^+»--------21 ---------
периода от температуры
говорит в пользу того, что
часы работают при помощи
скорее физического, чем
химического механизма.
Конечно, можно предполо-
жить, что здесь мы имеем
дело с взаимодействием
химических процессов,
обладающих различными
температурными коэффи-
циентами. Но последнее
объяснение трудно согла-
совать с тем, что отсутст-
вие температурной зависи-
мости индивидуальных фаз
цикла проявляется в одном
и том же интервале (обычно
между 10 и 30°) (фиг. 1).
В поисках физического
механизма действия часов
можно прийти к рассмот-
рению такого явления, как
периодическое изменение
Фиг. 1. Двигательная активность таракана
Periplaneta americana [37].
Воздействие повышенной температурой (заштриховано) в раз-
личные интервалы цикла (А и £) ие сдвигает фазы ритма
состояния макромолекул.
Из опыта известно, что способность некоторых составных частей клет-
ки, например ядра, связывать воду периодически меняется; вполне
возможно, что это есть не что иное как выражение предполагаемых нами
изменений состояния макромолекул. Как было доказано экспериментально,
эти колебания несомненно зависят от внутриклеточных реакций, поставля-
ющих энергию. Надо сказать, что для поддержания ритма требуется лишь
очень малая часть энергии нормального дыхания. Механизм, при помощи
которого можно переключать часть постоянно поступающей энергии на
нужды периодического изменения клеточных макромолекул, пока неиз-
вестен.
Вместе с тем было показано, что часы, даже если в их основе лежат пре-
имущественно колебания физической природы, регулируют многие биохими-
ческие процессы (и тем самым — физиологические явления в клетках
и тканях) таким образом, что все они становятся суточно-периодическими.
Конечно, изменения физических свойств могут регулировать процессы мета-
болизма путем воздействия на активность ферментов. Мы знаем, например,
что активность ферментов зависит от степени растяжения белковой цепи.
Однако всегда важно помнить, что все ранее изученные периодические
Фиг. 2. Колебания при нормальной температуре, например 20°
(сплошная линия), и в условиях, когда температура падает к концу
1-го дня почти до 10° (пунктир).
При низкой температуре расслабление достигает более низкого уровня, и по-
этому длина первого периода увеличивается. Дальнейшее выдерживание при
низкой температуре приводит к тому, что максимальная величина напряже-
ния значительно уменьшается, поэтому период становится очень коротким.
7 2 3 4 5 5
Времяни
Фиг. 3. Суточное движение листьев Phaseolus multiflorus при
непрерывном слабом освещении [37].
Условия сходны с условиями, принятыми на фиг. 2. А — температура 15°
(пунктир означает переход с 20 до 15°); Б — температура 10°.
Фиг. 4. Суточные движения листьев Phaseolus multiflorus при
постоянном слабом освещении и различной температуре [37].
Биологические часы
19
изменения в клетке (периодичность ферментативной активности, дыхания,
осмотического давления, роста, проницаемости, биолюминесценции, чувстви-
тельности к свету и температуре) только регулируются часами, но вовсе не
идентичны им. Конечно, очень важно изучать все эти вторичные процессы,
но мы не должны смешивать регулируемые процессы с самими часами. Вто-
ричные процессы — это только стрелки часов.
Однако я должен подчеркнуть одно обстоятельство. Мы уже указывали,
что длина периода почти или даже совсем не зависит от температуры,
и, исходя из этого, сделали вывод, что основной часовой механизм (master
clock) должен иметь не биохимическую, а биофизическую природу (вывод,
который нисколько не противоречит нашим современным представлениям
о клеточной физиологии). Разумеется, никто не думает, что этот механизм
подобен тому, который существует в часах, созданных человеком. Но не
так давно мы узнали, что в клетке возможны процессы, не имеющие ничего
общего с обычными биохимическими реакциями, зависящими от темпера-
туры. Структура митохондрий и других субклеточных частиц прекрасно
приспособлена для межмолекулярного и внутримолекулярного переноса
энергии, обусловленного переносом электронов. Эти процессы в противо-
положность тем процессам, которые связаны с тепловым движением моле-
кул, не зависят от температуры.
В настоящее время накоплен обширный экспериментальный материал,
который показывает, что часы действуют на основе чередования напряжения
и расслабления, т. е. релаксационных колебаний. От притока химической
энергии зависит, естественно, именно фаза напряжения.
Эта точка зрения подкрепляется рядом экспериментальных данных.
Известно, что если в результате понижения температуры (5—8°) или под
влиянием ингибиторов дыхания поступление энергии падает ниже мини-
мального уровня, необходимого для осуществления нормальных колебаний,
то появляются колебания с короткими периодами. Длина цикла в этих
условиях значительно меньше 24 час. Самое простое объяснение этого явле-
ния заключается в следующем: вследствие недостаточного снабжения энер-
гией процесс напряжения доходит не до конца, и поэтому после достижения
такого пониженного уровня напряжения система вновь возвращается в рас-
слабленное состояние (фиг. 2 и 3).
Если поступление энергии падает еще ниже, что, например, происходит
при температурах, близких к 0°, то колебания полностью прекращаются.
Последующее возвращение к нормальным температурам приводит к возоб-
новлению колебаний (фиг. 4). Результат кратковременного (в течение
нескольких часов) воздействия низкой температурой зависит от того, на
какой фазе цикла оно начиналось. Двадцатичетырехчасовой цикл колебаний
можно разделить на две фазы. Сильное охлаждение на одной из этих фаз
вызывает не просто остановку на достигнутом уже уровне колебаний, а воз-
вращение осциллятора к нулевому уровню. Об этом свидетельствует тот
факт, что при охлаждении во время этой фазы часы задерживаются очень
сильно — задержка длится больше, чем сам период охлаждения. Охлажде-
ние на другой фазе приводит к небольшой задержке цикла или даже вообще
его не задерживает, так что часы продолжают идти даже при низкой темпе-
ратуре (фиг. 5—7).
Таким образом, имеются свидетельства в пользу того, что мы имеем
дело с последовательностью процессов «напряжения» (tension) и «расслаб-
ления» (relaxation). Такая интерпретация дает нам возможность понять,
как может осуществляться регуляция часов посредством изменения свето-
вого или температурного режимов. Если свет (например, световая вспышка
20
Э. Б ю н н и н г
во время темновой фазы) или высокая температура накладываются на фазу
напряжения, это напряжение становится больше, чем оно могло бы быть
в норме. Иными словами, фаза напряжения несколько удлиняется, например
на 1—2 час. Если воздействие светом или высокой температурой повторяется
в течение нескольких дней, процесс регуляции также повторяется до тех
пор, пока свет или высокая температура не перестанут попадать на фазу
напряжения. Таким образом, отдельные фазы наступают в конечном счете на
Время суток
Время} час
Фиг. 5. Ритм активности Peripla-
neta americana [38].
По оси абсцисс отложено время начала
опыта (воздействие низкой температурой).
Температура и продолжительность воздей-
ствия указаны на кривых. По оси орди-
нат — задержка пика активности в пос-
ледующие дии.
Фиг. 6. Ритм споруляции Oedogonium
cardiacum [39].
По оси абсцисс отложено время окончания воздей-
ствия низкой температурой (6 час при —5°). Напри-
мер, цифра —9 на оси абсцисс означает, что воздействие
низкой температурой окончилось за 9 час до наступ-
ления максимума споруляции (который обозначен ну-
лем), цифра 0 — воздействие низкой температурой
закончилось в то время, когда эти максимумы в нор-
ме достигнуты, цифра +3 — это воздействие окон-
чилось через 3 час после наступления максимума
споруляции и т. д. По оси ординат — задержка мак-
симума, определяемая через 2 дня после воздействия
низкой температурой. Отметим, что крайние вели-
чины задержки (справа и слева) равны между собой.
несколько часов позднее, чем в нормальных условиях. Если же свет или
высокая температура попадают на фазу расслабления, то эта фаза не доходит
до конца, поскольку, как мы уже видели, воздействие светом или темпера-
турой имеет тенденцию стимулировать наступление фазы напряжения.
Поэтому процесс расслабления останавливается на 1—2 час раньше, чем
обычно, причем, естественно, создаются благоприятные условия для наступ-
ления следующей фазы напряжения. В результате наблюдается как бы
ускорение хода часов (фиг. 8).
Существуют и другие указания на то. что мы имеем дело именно с релак-
сационными колебаниями. С помощью длительного выдерживания в неизме-
няющихся условиях, особенно в условиях постоянной освещенности, часы
могут быть вообще остановлены. Одиночный стимул — например, темновой
перерыв, нарушающий непрерывное освещение,— снова запускает ход
часов. Вначале я предполагал, что такое «пробуждение» периодичности под
влиянием одиночного стимула есть не что иное, как явление синхронизации
Биологические часы
21
[36], и другие исследователи были согласны с этим мнением. В действитель-
ности это предположение правильно во многих случаях, но далеко не всегда.
Из работ по изучению суточного изменения объема клеточного ядра мы знаем,
Время, час
Фиг. 7. Схема, поясняющая влияние низкой температуры.
Сплошная линия — колебания при нормальной температуре, пунктир —
колебания при низкой температуре. А — низкая температура во время фазы
напряжения, ог а до Ь. Сдвиг фазы (с — d) превышает продолжительность
воздействия низкой температурой; Б — низкая температура во время стадии
расслабления, от а до Ь. Сдвиг фазы (с — d) меньше, чем продолжительность
воздействия низкой температурой.
Л — ежедневный световой стимул дается во время фазы напряжения, благо-
даря чему максимальное напряжение, равное в темноте ^макс (теми.), увели-
чивается до значения ^макс (свет). Вследствие этого наблюдается запазды-
вание фазы расслабления, что повторяется до тех пор, пока фаза напряжения
не сдвинется настолько далеко, что перестанет совпадать с ежедневным све-
товым стимулом; Б — ежедневный световой стимул дается во время фазы
расслабления, благодаря чему следующая за ней фаза'напряжения начинается
на более высоком энергетическом уровне ^МИН (свет). Поэтому £’макс До-
стигается раньше, чем при отсутствии светового стимула. Это повторяется до
тех пор, пока фаза расслабления не сдвинется настолько далеко, что пере-
станет совпадать с ежедневным световым стимулом.
что под влиянием различных уже описанных ранее воздействий часы отдель-
ных клеток многоклеточных растений могут быть остановлены [40].
«Пробуждение» ритма у многих растений под влиянием одиночного
темнового периода на фоне непрерывного освещения подчиняется определен-
22
Э. Б ю н н и. н г
ным правилам (фиг. 9 и 10). Темновой период должен продолжаться не
менее 9—10 час. В противном случае действие его может оказаться неадди-
тивным по отношению к действию второго темнового периода, данного на
I ....J. I.. ...I------4
О 1 2 3 4 * 6
Время, дни
Фиг. 9. Действие одиночных темновых периодов на суточное
движение листьев Phaseolus multiflorus, выращенных в условиях
непрерывного освещения [40].
А — 2-часовой темновой период («пробуждения» ритма не наблюдается);
Б — отчетливое «пробуждение» ритма под влиянием 18-часового темнового
периода.
несколько часов позднее [40]. Таким образом, темновой процесс обратим.
Если, однако, темновой период достигает определенной критической про-
должительности, колебание начинается. Из этого, по-видимому, следует,
что более короткий темновой период способен лишь довести потенциальный
осциллятор до некоторой ограниченной степени напряжения или расслаб-
ления. Если темновой период продолжается
несколько дольше, до тех пор пока не дости-
гается необходимый критический уровень
энергии, то расслабление достигает такого
уровня, который разрешает наступление сле-
дующей фазы и, следовательно, всего про-
цесса осцилляции [40].
Таковы экспериментальные данные, под-
тверждающие существование релаксационных
колебаний; но этот вопрос требует, разумеется,
дальнейшей разработки.
Многие исследователи пытались в опытах
с различными вфхествами подойти к выясне-
нию природы осциллятора. Однако почти
во всех случаях, когда удавалось найти тот
или иной фактор, активный по отношению
к осциллятору, позднее оказывалось, что он
влияет только на вторичный процесс, регули-
руемый часами. Фигурально выражаясь, мы
Фиг. 10. Объяснение резуль-
татов, приведенных на фиг. 9.
А — темновой период недостаточно
велик, чтобы снизить напряжение
осциллятора до критического уров-
ня (пунктир); Б — темновой период
достаточно велик и колебания на-
чинаются.
только повреждали стрелки часов или на-
сильственно поворачивали их, но не оказывали никакого действия на сами
часы. В других случаях, как, например, в опытах с ингибиторами дыха-
ния, мы только преграждали доступ энергии к часам. Выше было указа-
но, что это может привести к укорочению длительности периода, напри-
мер с 24-часового до 15 — 20-часового. Следовательно, здесь происходит
то же самое, что и в том случае, когда температура слишком низка, чтобы
обеспечить нормальное снабжение клеток энергией (фиг. 11). Мы уже го-
ворили, что такой эффект не особенно интересен. Гораздо больший интерес
Биологические часы
23
представляло бы воздействие, которое бы увеличивало продолжительность
периода. И такие воздействия были найдены.
Среди физических факторов, удлиняющих периоды у зеленых растений,
наиболее важное значение имеет красный свет с длиной волны около 650 му.
Фиг. И. Суточное движение листьев Phaseolus multiflorus при
непрерывном слабом освещении.
Стрелка указывает момент дачи уретана. Первый период удлинен, последую-
щие — короче, чем нормальные.
Этот свет может, по-видимому, в такой степени увеличивать движущую силу
осциллятора, что фаза напряжения длится дольше, чем обычно (фиг. 12).
В условиях освещения красным светом продолжительность периодов оказы-
вается на 3—5 час больше, чем в условиях постоянного затемнения. Этот
эффект объясняется тем, что под действием
красного света пигментная система, погло-
щающая в красной и далекой красной об-
ласти спектра, превращается в форму, по-
глощающую только в далекой красной об-
ласти. Действие далекого красного излуче-
ния подчиняется законам, которые при-
менимы к другим реакциям, зависящим от
этой пигментной системы [41].
Среди химических веществ, способных
удлинять периоды биологических ритмов,
можно назвать различные поверхностно-
активные вещества. Удлинение периода под
влиянием спирта достигает иногда 5 час
(фиг. 13). Подобный эффект вызывают так-
же некоторые алкалоиды, например папа-
верин и наркотин [42]. До сих пор,'однако,
такого рода факты не давали нам возмож-
ности делать какие-либо далеко идущие
Фиг. 12. Суточные движения
листьев Phaseolus в темноте (4),
при непрерывном освещении крас-
ным светом (5) и при непрерыв-
ном воздействии далекого красно-
го излучения (В).
При красном свете период колебаний
удлиняется; при воздействии далекого
красного излучения периоды становят-
ся короче, и затем ритм сходит на нет.
заключения о природе часов.
Изобилие проблем, о которых я гово-
рил, может, пожалуй, несколько обескура-
жить, но следует учесть, что в наши дни
исследователь находится в более выгодном
положении, чем, скажем, Дюамель, рабо-
тавший 200 лет назад. Нам незачем теперь
залезать в пещеры, чтобы обеспечить усло-
вия постоянной темноты при постоянной
температуре. Значительно улучшились искусственные источники света. Мы
можем по-настоящему понять примитивные условия, в которых работали
первые исследователи, если вспомним, что угольная лампочка накаливания
Эдисона появилась спустя 150 лет (1879 г.) после открытия биологических
часов (1729 г.). Стех пор мы прошли длинный путь и добились ряда успехов
в области применения физики и химии к физиологическим исследованиям.
24
Э. Б ю н н и н г
Таким образом, мы можем теперь смело приступить к тому, о чем говорил
де Мэр ан [1], предлагавший ботаникам и физикам рассмотреть и исследо-
вать странные явления, открытые в его темной комнате. В заключение
" 0 0 0 0 0
Фиг, 13. Суточное движение листьев Phaseolus при постоянном
слабом свете под влиянием этилового спирта [42].
В этом случае (сплошная линия) периоды значительно длиннее, чем в контро-
ле (пунктир).
де Мэран высказал мысль, звучащую почти пророчески по отношению»
к проблеме биологических часов: «Истинная физика, являющаяся наукой
экспериментальной, может продвигаться вперед лишь очень медленными,
шагами».
ЛИТЕРАТУРА
1. D е Mairan, Observation botanique, Histoire de 1’Academie Royale des Sci-
ences, Paris, p. 35, 1729.
2. Duhamel du Monceau, La Physique des Arbres., Vol. 2, Paris, p. 158—
159, 1758.
3. Z i n n J. G., Von dem Schlafe der Pflanzen, Hamburgisches Magazin, 22, 1, 49—
50, 1759.
4. D e Candolle A. P., Pflanzenphysiologie, oder Darstellung der Lebeuskra-
fte and Lebensverrichtungen der Gewachse. Stuttgart u. Tubingen, p. 639—
640 (Transl. into German by J. Roper. French Original: Physiologie vegetale,
Paris, 1832), 1835.
5. Dutrochet H., Memoires pour servir a 1’Histoire des Vegetaux et des Animaux,
Brussel, p. 278, 1837.
6. Sachs J., Uber das Bewegungsorgan uhd die periodischen Bewegungen der Blat-
ter von Phaseolus und Oxalis, Botan. Zeitung, 15, No. 47, 814 (1857).
7. S a c h s J., Die voriibergehenden Starre-Zustande periodisch beweglicher und*
reizbarer Pflanzenorgane. II. Die vorubergehende Dunkelstarre, Flora, 30, 469,.
1863.
8. Hofmeister W., Die Lehre von der Pflanzenzelle, Leipzig, 1867.
9. Pfeffer W., Physiologische Untersuchungen, Leipzig, 1873.
10. Pfeffer W., Die periodishen Bewegungen der Blattorgane, Leipzig, 1875.
11. Darwin Ch., F., The Power of Movement in Plants, p. 407—408, 1880.
12. P f e f f e r W., Beitrage zur Kenntnis der Entstehung der Schlafbewegungen,
Abhandl. Math. Phys. KL Kon. Sachs. Ges. d. Wiss., 34, 1 —154 (1915).
13. Semon R., Uber die Erblichkeit der Tagesperiode, Biol. Zbl., 25, 241—252
(1905).
14. Semon R., Hat der Rhythmus der Tageszeiten bei Pflanzen erbliche Eindriicke-
hinterlassen? Biol. Zbl., 28, 225—243 (1908).
15. В ii n n i n g E., Stern K., Uber die tagesperiodischen Bewegungen der Prima-
rblatter von Phaseolus multiflorus. II. Die Bewegungen bei Thermokonstanz,.
Ber dtsch. bot. Ges., 48, 227—252 (1930).
Биологические часы
25»
16. Kleinhoonte A., Uber die durch das Licht regulierten autonomen Bewegun-
gen der Canavalia-Blatter, Arch, neerl. Sci. ex. et. nat., Illb, 5, 1 —110 (1929).
17. Kleinhoonte A., Untersuchungen ber die autonomen Bewegungen der Pri-
marblatter von Canavalia ensiformis, Jahrb. f. wiss. Bot., 75, 679—725 (1932).
18. К i e s e 1 A., Untersuchungen zur Physiologic des facettierten Auges, Sitzungesber.
Akad. Wiss., Wien, 97—139, 1894.
19. F о r s g r e n E., On the relationship between the formation of bile and glycogen*
in the liver of rabbit, Scand. Arch. Physiol, 53, 137 (1928).
20. В e 1 i n g L., Uber das Zeitgedachtnis der Bienen, Z. vergl. Physiol. 9, 259—338>
(1929).
21. К a 1 m u s H., Uber die Natur det Zeitgedachtenises der Bienen, Z. vgl. Physiol.,
20, 405—419 (1934).
22. W e 1 s h J. H., Diurnal rhythm of the distal pigment cells in the eyes of certain!
Crustaceane, Proc. Nat. Acad. Sci., 16 , 386—395 (1930).
23. В rem er H., Uber die tageszeitliche Konstanz im Schliipftermine der Imagines-
einiger Insekten, Z. wiss. Insektenviol., 21, 209—216 (1926).
24. К a 1 m u s H., Periodizitat und Autochronie (-Ideochronie) alszeitregelnde Eigen-
schaften der Organismen, Biol, gen., 11, 93—114 (1935).
25. Biinning E., Zur Kenntnis der endogenen Tagesrhythmik bei Insekten und'
Pflanzen, Ber. dtsch. bot. Ges., 53, 594—623 (1935).
26. L u t z F. E., Experiments with Orthoptera, concerning diurnal rhythm. Amer
Mus. Novitates, 550 (1932).
27. В ii п n i n g E., Uber die Erblichkeit der Tagesperiodizitat bei den Phaseolus-
Blattern, Jb. wiss. Bot., 77, 283—320 (1932).
28. Wahl O., Neue Untersuchungen ber das Zeitgedachtenis der Bienen, Z. vergl.
Physiol., 16, 529—589, 1932.
29. Park O., Keller J. G., Studies in nocturnal ecology. II. Preliminary analysis
of activity rhytms in nocturnal forest insects, Ecology, 13, 335—346 (1932).
30. Horstmann C., Die tagesperiodische Pigmentwanderung im Facettenauge von
Nachtschmetterlingen, Biol. Zbl., 55 93—97 (1935).
31. W e i s m a n n A., Richard Semon’s «Mneme» und die «Vererbung erworbener
Eigenschaften», Arch. Rassen-u Gesellsch. Biol., 3, 1—27 (1906).
32. G a r n e r W. H., Allard H. A., Effect of the relative length of day and night
and other factors of the environment on growth and reproduction in plants, J. Agr.
Res., 18, 553—606 (1920).
33. Marcovitch S., The migration of Aphididae and the appearance of sexual
forms as affected by the relative length of the daily light exposure, J. Agr. Res.,
27, 513—522 (1924).
34. Rowan W., On photoperiodism, reproductive periodicity, and the annual mig-
ration of birds and certain fishes, Proc. Boston Soc. Nat. Hist., 38, 147—189,
(1926),
35. Biinning E., Zur Kenntnis der erblichen Tagesperiodizitat bei den Primarb-
lattern von Phaseolus multiflorus, Jb. wiss. bot., 81, 411—418 (1935).
36. В ii п n i n g E., Untersuchungen ber die autonomen tagesperiodischen Bewegungen’
der Primarblatter von Phaseolus multiflorus, Jb. wiss. Bot., 75, 439—480-
(1931).
37. В ii n n i ng E., Die physiologische Uhr, Berlin, Springer, 1958.
38. Biinning E., Zur Analyse des Zeitsinns bei Periplaneta americana, Z. Naturforsch.
14b, 1—4 (1959).
39. В u n n i n g E., R u d d a t M., Weitere Untersuchungen zur Deutung der phy-
siologischen Uhr als Kippschwi ngungssystem, Naturwiss. 47, 286 (1960).
40. Wassermann L., Die Auslosung endogentagesperiodischer Vorgange ber<
Pflanzen durch einmalige Reize, Planta, 53, 647—669 (1959).
26
Э. Б ю н н ин г
41. Lorcher L., Die Wirkung verschiedener Lichtqualitaten auf die endogene
Tagesrhythmik von Phaseolus, Z. f. Bot., 46, 209—241 (1958).
42. Keller S., Uber die Wirkung chemischer Faktoren auf die tagesperiodischen
Blattbewegungen von Phaseolus multiflorus, Z. f. Bot., 48, 32—57 (1960).
43. Biinning E., Die endogene Tagesrhythmik als Grundlage der photoperiodischen
Reaction, Ber. dtsch. bot. Ges., 54, 590—607 (1936).
ОБСУЖДЕНИЕ ДОКЛАДА
Гастингс. Я хотел бы попросить д-ра Бюннинга рассказать нам,
как он определяет и использует термины «напряжение» и «расслабление».
Имеете ли Вы в виду какой-либо специфический физический или биохими-
ческий процесс, который мог бы указывать на состояние «напряжения» или
«расслабления», и если это так, то как это могло бы происходить?
Бюннинг. Я не предлагаю никакой гипотезы о специфической
природе напряжения и расслабления. Это еще невозможно. Я только обду-
мывал некоторые факты, установленные во многих современных работах.
Я полностью согласен, что моя интерпретация этих фактов представляет
собой не более чем рабочую гипотезу.
ОБЩИЕ СВОЙСТВА ЦИРКАДНЫХ РИТМОВ
Ю. АШОФФ
Экзогенные, и эндогенные компоненты
циркадных ритмов
о
ВВЕДЕНИЕ
Название нашего симпозиума — «Биологические часы» — не содержит
никаких указаний на то, о каком типе часов идет речь. Остается открытым
вопрос о том, идут ли часы непрерывно или останавливаются после каждого
оборота и должны быть заведены вновь. Термин «часы» не значит также, что
один оборот равен 24 час. Часы — инструмент для измерения времени.
Организму требуется измерять промежутки времени очень разной продол-
жительности и для разных целей. Например, каждое измерение скорости
сопряжено с измерением времени иногда с точностью до миллисекунд.
Можно ожидать поэтому, что организм располагает целым набором часов
с различными периодами [1]. Вовсе не требуется, чтобы часы шли непрерыв-
но. Для многих целей было бы достаточно включение часов лишь при начале
измерения (принцип песочных часов). Таким образом, понятие «биологи-
ческие часы» шире того, что обозначается этими словами в значительной
части докладов симпозиума. Вместе с тем термин «циркадный», предложен-
ный Халбергом [2] и используемый во многих работах, посвященных этим
проблемам, объединяет два независимых предположения о свойствах часов:
1) что средний период равен примерно 24 час и 2) что часы идут непрерывно.
В настоящее время существует лишь один способ изучения циркадных
ритмов — исследование одной или нескольких периодических функций
организма. Однако никто не может сказать еще, как наблюдаемые на опыте
функции связаны с механизмом часов и как данная функция представляет
часы. Для получения ответа на этот вопрос, вообще говоря, целесообразно
проводить одновременные измерения нескольких функций организма,
наблюдая их синхронизацию или десинхронизацию при различных экспе-
риментальных условиях. Однако многие особенности циркадных ритмов
28
Ю. Ашофф
могут быть прослежены и по какой-либо одной функции организма. При
решении некоторых специальных вопросов различные функции могут
оказаться не эквивалентными, но с точки зрения общего механизма часов
все они примерно равноценны. Экспериментаторы, изучающие динамику
изменения числа эозинофилов или двигательную активность животных, сто-
ят не ближе к выяснению природы биологических часов (но, по-видимому,
и не дальше), чем те, которые дрессируют животных на прием пищи в опре-
деленное время дня или на убегание в определенное место. Было бы очень
важно, по крайней мере для проблемы синхронизации, если бы мы могли
показать, что результаты, полученные в экспериментах с циркадными ритма-
ми, не зависят от того, какую функцию мы избрали для исследования (см.
фиг. 17 и 18).
Организм, проявляющий в естественных условиях периодичность, соот-
ветствующую чередованию дня и ночи, вовсе не обязательно обладает
циркадной периодичностью. Возможно, что проявляемая им периодичность
носит экзогенный характер, т. е. обусловлена чисто внешними факторами.
В этом случае окружающая среда является единственной причиной ритма,
и в искусственных непериодических условиях последний исчезает. В отли-
чие от экзогенных ритмов циркадный ритм является эндогенным, т. е.
обусловлен свойствами самого организма. В этом случае периодические
процессы, протекающие в среде, действуют лишь как синхронизирующие
агенты. Периодические факторы среды, способные синхронизовать циркад-
ные ритмы, обозначались «Zeitgeber» [3, 4] или «synchronizer» [5]. В качест-
ве синонимов употребляются термины entraining agent, time-giver, time-cue
и другие. Так как для этого понятия в английской литературе еще нет еди-
ного термина, в настоящей работе будет использован немецкий термин
«Zeitgeber»1. В каждом отдельном случае при помощи ряда экспериментов
можно решить вопрос, является ли периодичность эндогенной (циркадной)
и играет ли некоторый агент среды роль фактора, задающего ритм. В насто-
ящей статье описаны некоторые эксперименты подобного рода.
ЭНДОГЕННЫЕ КОМПОНЕНТЫ
ПРОБЛЕМА ЭНДОГЕННОСТИ И ЭКЗОГЕННОСТИ
Для того чтобы можно было с уверенностью говорить об эндогенной
природе наблюдаемой периодичности, испытываемый организм должен
находиться в так называемых постоянных условиях, т. е. должны быть
исключены все внешние синхронизующие факторы. Но априори не ясно,
какого типа окружающие факторы можно расценивать как потенциальные
синхронизаторы. При постоянстве всех контролируемых факторов среды
(температуры, освещенности и т. д.) возможны три результата эксперимента.
1. Ритм прекращается сразу или затухает через несколько периодов.
Такой результат не дает уверенности в том, что ритм имеет экзогенную, а не
эндогенную природу. Может случиться, что периодичность, являясь эндо-
генной по существу, становится ненаблюдаемой из-за неблагоприятных
условий постоянной среды (слишком ярко, слишком холодно, слишком
темно и т. д.; стр. 47).
2. Ритм продолжается, и период его в точности равен 24 час. В этом
случае нельзя исключить, что при постановке опыта был просмотрен неиз-
1 Термин Zeitgeber мы будем переводить в дальнейшем как «задающий ритм»,
•«синхронизатор» или «датчик времени» — Прим. ред.
Экзогенные и эндогенные компоненты циркадных ритмов
29
вестный фактор внешней среды, эффективно задающий ритм. Ни один опыт,
результаты которого показывают неизменность частоты и фазы ритма при
переходе к постоянным условиям, не доказывает эндогенной природы ритма
и еще меньше говорит о наследственном характере периодичности.
3. Ритм наблюдается, но период его несколько отличен от 24 час. Если
этот ритм нельзя отнести за счет некоторого периодического процесса, проте-
кающего в среде, например периодичности приливов, то он является дей-
ствительно эндогенным.
Наличие этой спонтанной частоты, или, по выражению Питтендрая [6,
7], «свободного периода» (free-running period), служит единственным убеди-
тельным доказательством эндогенной (циркадной) периодичности. Пред-
ставление о частоте какого-либо периодического процесса можно получить
лишь в результате измерений, проведенных на протяжении нескольких
периодов. Поэтому о спонтанной частоте «циркадных часов» можно говорить
лишь после того, как измерена величина 5—7 периодов.
Спонтанная частота, которую мы наблюдаем в организме, конечно, нико-
им образом не представляет собой физической постоянной. Организм как
открытая система всегда взаимодействует со средой, и его поведение и функ-
ция есть результат совместного действия внутренних и внешних факторов.
Не удивительно, что спонтанная частота может быть различной в разных
условиях. При постоянных условиях период может зависеть как от функци-
онального состояния организма (например, от времени кормления или фазы
эстрального цикла), так и от таких условий, как интенсивность освещения
(или освещенность), температура и т. д. Если организм ведет себя периоди-
чески, несмотря на то что живет в постоянных условиях, мы говорим
о «спонтанной», или «эндогенной», периодичности. Главная же характери-
стика ритма — его частота — определяется всеми условиями, как внутрен-
ними так и внешними. Эти выводы были сделаны еще Пфеффером [8].
Гермин «спонтанная частота» означает, что периодичность возникает
в организме самопроизвольно без какого-либо внешнего периодического
сигнала. В таком смысле термин «спонтанный» употребляется в нейрофизио-
логии. Под спонтанным ритмом в нейрофизиологии понимают такой процесс,
когда система отвечает на непрерывное постоянное воздействие внешней сре-
ды периодическим импульсом. (Без взаимодействия со средой нет жизни!)
Ритм сердца и ритмические импульсы из дыхательного центра спонтанны.
Оба центра функционируют ритмически, даже если среда, в которой нахо-
дятся клетки, постоянна. Частота импульсов зависит от всех условий окру-
жающей среды, в том числе от температуры и давления СО2. Хорошо извест-
но, что чувствительность к раздражениям (реактивность) такой системы
изменяется периодически. Но описывать подобные ритмы в таких терми-
нах, как «сдвиг фазы» или «фазовая автоподстройка» под влиянием резких
изменений концентрации СО2, было .бы неверно.
При обсуждении проблемы «спонтанности» следует упомянуть гипотезу,
предложенную Ф. Брауном [9] еще в 1957 г. Он утверждал, что «организмы,
находящиеся в постоянных условиях, могут сохранять неизменными
фазовые соотношения с внешними циклами примерно в течение месяца»
и что «система часового механизма сохраняет регулярную частоту за счет
воздействия некоторого внешнего сигнала, продолжающего действовать и
в тех условиях, которые мы считаем постоянными». Вообще говоря, легко
согласиться с тем, что в подобных экспериментах действительно должен
присутствовать некоторый синхронизатор, но он не обязательно должен
быть «еще неизвестным внешним фактором» [10]. В последние два года Бра-
ун [11] ввел в свою гипотезу спонтанную частоту, соответствующую
30
Ю. Ашофф
периоду, отличающемуся от 24 час. Он описывает спонтанную частоту как
результат действия автоподстройки, хотя не всегда ясно, является ли эта
подстройка результатом действия внешнего задающего ритм фактора или
происходит в условиях постоянства среды [12]. Оба объяснения предпола-
гают периодическое изменение чувствительности (реактивности) организма.
Если бы действовали внешние определители ритма, то в результате изме-
нения чувствительности организма его ритмы были бы синхронны с этими
внешними определителями. В периоды пониженной реактивности организм
будет нечувствителен к внешним определителям ритма, которые поэтому
будут неотличимы от постоянных условий среды. Если же внешних опреде-
лителей ритма нет, а условия среды действительно постоянны, то согласо-
ванность ритма (при меняющейся чувствительности) с такими постоянными
условиями будет также соответствовать данному выше определению «спон-
танный». Рассмотрим последний пример: частота колебаний электрического
контура зависит от величин емкости и индуктивности. Если неизбежные
потери энергии восполняются за счет анодной батареи, колебания контура
не затухают. Пусть один из параметров контура сделан чувствительным
к свету (допустим, в цепь включен фотоэлемент), тогда частота системы будет
функцией интенсивности света. Тем не менее колебания по-прежнему оста-
ются спонтанными (эндогенными), только в этом случае частота колебаний
будет функцией как внутренних, так и внешних параметров. Очевидно, что
такая система будет в течение каждого периода достигать максимума чув-
ствительности к свету. Но описывать такие колебания как результат авто-
подстройки фазы, сдвига начальной фазы колебаний или как экзогенную
периодичность не имеет смысла.
СПОНТАННАЯ ЧАСТОТА
Простой пример того, что называют «спонтанной частотой», приведен
на фиг. 1, где показано изменение локомоторной активности зяблика во
времени. Зяблик находится в клетке в постоянных условиях (постоянная
температура, постоянное питание, отсутствие шумовых помех и постоянная
освещенность). Из графика можно сделать два вывода: 1) при освещенности
0,4 лк период продолжительнее, чем при освещенности 8 лк; 2) период состо-
ит из двух четко разграниченных частей — времени активности, когда зяб-
лик не спит и прыгает по клетке, и времени покоя, когда птица спит [13].
При освещенности 0,4 лк время активности короче, а время покоя длиннее,
чем при освещенности 8 лк. Ниже мы обсудим значение обеих составляющих
частей периода. Сначала обратим внимание на частоту. Величину периода
легче всего определить, измеряя промежутки времени между моментами
пробуждения птицы, так как переход ее в активное состояние происходит
особенно резко. Можно также измерять, промежутки времени между макси-
мумами активности или между моментами окончательного спада активности.
Без специального изучения невозможно сказать, какая часть цикла более
существенна и полезна при изучении биологических часов. Было показано,
однако, что регистрация моментов начала активности дает наиболее постоян-
ные величины периодов (фиг. 2) [4]. В последующем обсуждении речь будет
идти в большинстве случаев о периоде, определенном по началу активности,
но иногда будут упоминаться данные, полученные путем регистрации макси-
мумов активности.
Точность, с которой организм выдерживает свой суточный ритм, легко
проиллюстрировать графиком, изображенным на фиг. 2 и показывающим
результаты опыта, в котором птицу (зяблика) помещали попеременно в уело--
Экзогенные и эндогенные компоненты циркадных ритмов
31
вия чередования света и темноты (цикл СТ) и в условия непрерывного осве-
щения (цикл СС), ежедневно регистрируя в каждом случае моменты наступ-
ления и окончания активности. В условиях чередования 12 час света и 12 час
темноты (СТ 12 : 12) время активности в точности совпадало с периодами
освещения [15]. При непрерывном освещении (освещенность 0,4 лк) период
активности начинался и заканчивался с каждым днем немного позднее. Пос-
ле 30 дней подобного опыта ритм активности зяблика снова синхронизовали
циклом СТ 12 : 12 в течение 12 дней, а затем птицу перевели в условия
А
12
20
19
21
18
17
74
I O/ljjk t
JvjLaJVJlJVj Uu
15
15
16
г
Фиг. 1. Локомоторная активность самца зяблика (Fringilla coelebs) при постоянной
освещенности 0,4 лк (Л) и 8 лк (5).
т — период; а — фаза активности; Q — фаза покоя. Цифрами пронумерованы дни пребывания
на свету.
постоянного освещения, но уже при освещенности 120 лк. При такой боль-
шой освещенности период активности начинался с каждым днем немного
раньше. Из фиг. 2 следует, что: 1) регистрация моментов начала активности
позволяет более точно оценить продолжительность периода, а следователь-
но, и частоту ритма, чем регистрация моментов окончания активности;
2) при постоянной освещенности 0,4 лк время активности несколько короче,
чем при 120 лк; 3) при наличии мощного искусственного синхронизирующего
фактора (ср. с фиг. 14)— чередования 12 час яркого света и 12час полной
темноты — спонтанная частота моментально меняется; при установлении
режима постоянного освещения спонтанная частота восстанавливается
также сразу.
При определенной освещенности спонтанная частота не только различна
у разных организмов, но и непостоянна у одного и того же организма.
На фиг. 3 приведены результаты наблюдений над периодами активности
четырех зябликов в условиях постоянного освещения. Опыты проводились
при четырех различных значениях освещенности на протяжении 20 дней.
И хотя спонтанная частота несколько меняется от одного зяблика к другому
и даже не выдерживается постоянной у одной и той же птицы, каждый уро-
вень освещенности характеризуется своим средним значением частоты. Это
среднее значение минимально при освещенности 0,4 лк и максимально при
освещенности 120 лк.
‘Ф и г. 2. Начало (/) и конец (//) активности у зябликов при чередовании 12 час
«света и 12 час темноты (СТ) и в условиях непрерывного освещения (СС) при осве-
щенности 0,4 лк и 120 лк.
Время центральноевропейское.
Время, дни
Фиг. 3. Суточный сдвиг моментов начала активности у 4 зябликов в условиях
непрерывного освещения при разных значениях освещенности.
Регистрация производилась на протяжении 20 дней и более. При освещенности 0,4 и 1,8 лк
«ачало^активности приходится каждый раз на более позднее время дня, чем в предыдущие сутки,
при 8 и 120 лк — на более раннее время.
Экзогенные и эндогенные компоненты циркадных ритмов
33
ЗАВИСИМОСТЬ ЧАСТОТЫ ОТ ИНТЕНСИВНОСТИ ОСВЕЩЕНИЯ
Давно уже известно, что спонтанная частота зависит от интенсивности
освещения [3, 16]. Это было недавно подтверждено в опытах с несколькими
видами организмов, которые показали, что в общем частота пропорциональ-
на логарифму освещенности. Результаты всех опубликованных к настоящему
времени работ приведены на фиг. 4, где каждая точка представляет среднее
значение для нескольких организмов, за исключением Phaseolus, причем
для каждой величины освещенности измерения проводились в течение
нескольких периодов. Данные о скворцах, зябликах (2 серии) и мышах
(2 серии) еще не опубликованы с достаточными подробностями. Результаты
Фиг. 4. Зависимость периода спонтанного (циркадного) ритма у различных организ-
мов при постоянных внешних условиях от освещенности.
Каждая точка — среднее для нескольких особей и периодов. I — активность белоногой мыши
[16]; II — активность домовой мыши (точки — старые опыты, кружки с точкой — новые);
III — люминесценция Gonyaulax poluedra [17]; IV — активность ящерицы Lacerta sicula [18];
V — активность скворца; VI — активность зяблика (маленькие кружки — первая серия экспери-
ментов, большие двойные — вторая); VII — движение листьев Phaseolus vitellinus [19].
двух серий опытов с мышами близки друг другу, тогда как в опытах с зяб-
ликами во второй серии опытов получена более высокая частота, чем в пер-
вой. Такая изменчивая чувствительность к свету вовсе не удивительна; она
может, в частности, определяться сезонными изменениями функционального
состояния организма. Поэтому вряд ли можно ожидать, что прямые, пред-
ставляющие результаты повторных опытов для одного и того же организма,
будут иметь один и тот же наклон и положение. Присущая организму спон-
танная частота может измениться под влиянием самых различных факторов,
например от того, что в клетке есть темный угол, где животное может укры-
ваться от света. Для Phaseolus приведены лишь относительные величины, об
абсолютных же значениях освещенности в опытах Пфеффера можно только
догадываться.
Исходя из приведенных на фиг. 4 результатов, полученных различными
авторами, можно предположить, что при увеличении освещенности в усло-
виях непрерывного освещения спонтанная частота у дневных животных
(зяблики, скворцы, ящерицы) повышается, а у ночных (домашние и белоно-
гие мыши)— понижается. Когда это предположение было высказано впервые
[20, 21], формулировка его была не вполне удовлетворительной. Оконча-
тельный вариант формулировки выработался на дискуссии с Раусоном и его
сотрудниками в Мэдисоне [22]. До сих пор, насколько нам известно, не
появилось данных, опровергающих эту гипотезу в принципе, но, вообще
говоря, можно ожидать и исключений. Более подробное обсуждение этого
вопроса см. ниже (стр. 36).
34
Ю. Ашофф
В любой колебательной системе частота определяется как величина,
обратная длине периода. В пределах одного периода скорость изменения
состояния системы можно характеризовать угловой скоростью некоторого
вращающегося вектора. Эта величина постоянна на протяжении всего перио-
да только при чисто синусоидальных колебаниях; во всех других колеба-
тельных системах скорость в течение периода меняется. Это означает, что
на протяжении одного периода циркадного ритма есть промежутки времени,
в течение которых изменения в системе происходят быстрее среднего, и такие
промежутки, когда изменения происходят более медленно. Разумно допу-
стить, что в условиях чередования света и темноты это изменение скорости
каким-то образом связано с внешним фактором, задающим ритм.
Приняв это допущение, можно рассматривать результаты, приведенные
на фиг. 4 для дневных животных, как свидетельство возрастания скорости
с увеличением освещенности и понижения скорости с уменьшением освещен-
ности. Быстрота изменения скорости зависит, конечно, от того, в какой фазе
находилось животное в момент эксперимента (т. е. в моменты повышения или
понижения освещенности). Более того, наблюдая за животным в постоян-
ных условиях, можно заметить, что изменение скорости связано с двумя
участками периода — временем активности и временем покоя. Если допу-
стить, что во время активности скорость изменений в системе превышает
среднюю, а во время покоя — ниже средней, то можно высказать следующее
поддающееся проверке предположение: с удлинением времени активности,
т. е. времени, в течение которого изменения в системе происходят со скоро-
стью выше средней, период ритма должен укорачиваться. Это было показано
в ряде случаев. Правда, различйя в скорости хода часов не удалось еще
измерить непосредственно. Но есть две работы, результаты которых можно,
по-видимому, считать косвенным доказательством существования таких
различий. Во-первых, известно, что в иерархии ритмов [23, 24] имеются
отчетливые 2-часовые «вспышки» активности. Было показано [13], что эти
вспышки имеют большую частоту в периоды активности, чем во время
отдыха животного (как при постоянном освещении, так и при чередовании
света и темноты). Во-вторых, изучая животных, которые используют для
ориентации в качестве компаса солнце и должны отсчитывать движение
солнца со средней угловой скоростью 15° в 1 час, Швассман и Бремер [25]
установили, что некоторые дневные рыбы отсчитывают более 15° в 1 час
в светлое время и менее 15° в 1 час — в темноте. Вопрос о том, подтверждают
ли эти наблюдения гипотезу о взаимодействии между внешними синхрони-
заторами и скоростью, мы подробно обсуждать не будем.
НАСЛЕДОВАНИЕ ПЕРИОДИЧНОСТИ
Полагая существование эндогенной (циркадной) периодичности дока-
занным, можно спросить, является ли эта периодичность приобретенной во
время онтогенеза или передается по наследству при филогенезе. Само собой
очевидно, что может наследоваться лишь потенциальная возможность прояв-
ления периодичности. Реализация такой возможности, как и реализация
других функций организма, зависит от различных условий среды. Унасле-
дованная периодичность не обязательно проявляется во всех функциях
непосредственно после рождения. Она может раскрываться в растущем
организме шаг за шагом (как у человека), но это вовсе не означает, что она
вызвана окружающими условиями. Даже если эта периодичность и пере-
дается по наследству, для ее проявления необходимо, чтобы все органы
и центры координации были полностью развиты [26, 27].
Экзогенные и эндогенные компоненты циркадных ритмов 35
Если животных выращивают при постоянных условиях с самых ранних
стадий развития и у них тем не менее наблюдается спонтанная^частота, то
можно сказать, что они обладают эндогенной периодичностью. Успешные
опыты подобного типа были проведены с цыплятами [26] и ящерицами [28] у
которых выращивали начиная со стадии яйца в условиях постоянного
освещения или темноты. Так, у ящериц, выращенных при искусственном
18-часовом (или 36-часовом) дне, пои помещении их в условия постоянной
Фиг. 5. Ритм активности трех мышей-самцов одного помета (род.
И ноября; поколение F5), выращенных в условиях непрерывного
освещения.
Кривые несколько сглажены, так как использованы средние значения
из пяти значений (ср. фиг. 6, левая половина, F5).
темноты наблюдался естественный период, близкий к тому, которым обла-
дают животные, выращенные в нормальных условиях, независимо от режима
предварительного освещения [29]. Следует отметить, что наличие 24-часо-
вого периода ритма у животных, выращенных в постоянных условиях
в течение нескольких поколений, не может служить доказательством сущест-
вования внутренней периодичности, так как нельзя исключить действие
неучитываемых внешних датчиков времени. С другой стороны, когда
спонтанную периодичность проявляют млекопитающие, выращенные начи-
ная с рождения в условиях непрерывного освещения или постоянной темно-
ты, не исключается возможность того, что ритмы передаются молодняку
вскармливающими их родителями [30]. Интересно, однако, отметить тот
факт, что у 6 поколений мышей, выращенных в условиях постоянного
освещения, сохраняется одна и та же спонтанная частота. Графики актив-
ности животных трех пометов поколения F5 приведены на фиг. 5. Как
показывает фиг. 6, спонтанные частоты у животных, относящихся к поколе-
ниям F3, F4 и F5 двух разных линий, хорошо согласуются друг с другом.
36
Ю. Ашофф
Отчетливые пики активности отмечаются для всех особей из шести пометов
в течение по крайней мере 20 дней. Длины всех периодов лежат в пределах
25,0—25,6 час.
----*- Время, дни
Ф и г. 6. Суточный сдвиг пиков активности у 6 пометов мышей при постоянно
освещенности около 100 лк (F3, F4, F5 двух линий).
ТРИ ВАЖНЫХ ПАРАМЕТРА, ХАРАКТЕРИЗУЮЩИЕ РИТМ
В постоянных условиях ритм характеризуется двумя параметрами,
легко поддающимися измерению,— спонтанной частотой и длительностью
фазы активности. Третий параметр, по-видимому, столь же важный, хотя
дать ему определение довольно трудно,— это уровень, около которого систе-
ма совершает свои колебания. Этот средний уровень можно назвать «уров-
нем активности». Например, температура тела может колебаться с одной
и той же амплитудой около любого среднего значения, скажем 37 или 38°.
В этом случае эта средняя температура и будет уровнем активности. Мерой
уровня активности, хоть и не строгой, может служить общая активность
животного в единицу времени. В качестве количественной меры можно
использовать интенсивность энергетического обмена (например, потребле-
ние кислорода). Конечно, ни двигательная активность, ни потребление
кислорода не служат точными мерами уровня активности. Можно привести
ряд примеров, когда один и тот же уровень потребления кислорода соответ-
ствует разным уровням активности. Возможно, уровень активности соот-
ветствует эффективно используемой энергии метаболизма. Во всяком случае,
он является важным параметром всякой колебательной системы.
Вопрос о том, что понимать под уровнем при изучении циркадного
ритма активности организма, остается в настоящее время без четкого ответа.
Однако сама постановка этого вопроса вполне закономерна. Повышение
или понижение уровня активности является одной из основных реакций
организма на свет. Без такой причинной связи между интенсивностью
освещения и уровнем активности не существовало бы различия между днев-
ными и ночными животными.
Экзогенные « эндогенные компоненты циркадных ритмов
37
У многих хорошо изученных животных уровень активности, частота
и величина а : р (отношение времени активности к времени покоя), по-
видимому, связаны. Сравнивая эти три параметра у ночных животных,
20 лк
1000~\
Фиг. 7. Ритм активности золотистого хомячка (Mesocricetus
auratus), определяемый в клетке с вертящимся колесом при трех
значениях освещенности.
При уменьшении освещенности фаза активности а удлиняется, фаза покоя Q
укорачивается, но общий период остается почти неизменным; общая актив-
ность заметно растет.
находящихся в условиях непрерывного освещения, при трех значениях
освещенности (фиг. 7), можно заметить, что большая освещенность связана
с меньшей общей активностью, с более коротким временем активной жизни
и с некоторым (хотя и небольшим) удлинением периода. У дневных животных
наблюдается обратная картина. Указанные три параметра не одинаково
зависят от освещенности. У одного организма может оставаться постоянной
общая активность (т. е. уровень), у другого — период. Но в любом случае
изменение хотя бы двух параметров подчиняется сформулированному выше
правилу (фиг. 8). Совершенно такие же результаты, как на фиг. 8 для зябли-
ков, Гофман [18] получил в экспериментах со скворцами (табл. 1).
Можно сделать еще несколько замечаний в отношении фиг. 8. У зябли-
ков и мышей отношение а : р = 1 : 1, когда период равен 24 час. Можно
думать, что у хомяков при очень низких значениях освещенности, когда
отношение а : р становится равным 1:1, период будет короче 24 час.
Интересно, что у мышей не наблюдается изменений общей активности. Это
38
Ю. Ашофф
по-видимому, объясняется тем, что мыши занимают промежуточное положе-
ние между дневными и ночными животными и у них наблюдается два пика
активности: главный — во время темновой фазы и второй — во время све-
товой. О других выводах речь будет идти дальше (см. фиг. 15).
Таблица 1
Период ритма, длительность фазы активности и общая
активность скворцов, находящихся в условиях
непрерывного освещения, при разных значениях
освещенности
Освещенность, ЛК Период, час Фаза актив- ности, час Общая актив- ность, число от- счетов за 30 мин
0,6 24,3 9,3 117
7,5 23,5 14,7 300
65,0 22,5 16,5 750
Результаты, представленные на фиг. 8 и табл. 1, позволяют сформули-
ровать следующее правило циркадных ритмов: у дневных животных,
активность котопых приходится на световую фазу, спонтанная частота,
Фиг. 8. Три параметра циркадных ритмов при постоянном
освещении, зависящие от освещенности.
А — длина спонтанного периода; Б — фаза покоя; В — фаза активности;
Г — уровень активности за единицу времени (100% — средняя актив-
ность за 1 час в условиях чередования света и темноты). Каждая точка
представляет собой среднее из данных по трем (зяблик и мышь) или двум
(хомячок) особям, полученным не менее чем за 6 периодов.
отношение а : р и общая активность при непрерывном освещении повы-
шаются с ростом освещенности; у животных, активность которых при-
ходится на темновую фазу (ночных животных), наблюдается обратная карти-
на. Это правило не касается абсолютного значения спонтанной частоты.
Вряд ли можно обобщать результаты наблюдений на зябликах и скворцах,
у которых период в условиях непрерывного освещения оказывается короче,
Экзогенные и эндогенные компоненты циркадных ритмов
39
а в условиях постоянной темноты длиннее 24 час. По-видимому, есть живот-
ные, у которых естественный период всегда короче или всегда длиннее
24 час (как, например, у хомяков).
Даже в этих случаях фазовая синхронизация возможна (по крайней
мере в модели, как это показано Вевером [31]). Это, конечно, не означает,
что в природе непременно должна быть реализована такая возможность.
На основании данных, представленных на фиг. 8, можно сделать сле-
дующий вывод. Если уровень активности и спонтанная частота каким-то
образом связаны друг с другом, то можно ожидать, что частота будет менять-
ся при изменении уровня под действием не только света, но и любого другого
фактора. Заметное влияние на средний уровень активности оказывает

15 20 25 30 15 20 2130 15 20 25 30 15 20 25 30 35 15 20 25 15 20 25 30
Температура °C (циклСС)
Фиг. 9. Общий уровень активности и спонтанный период в постоянных условиях как
функция температуры.
1 — люминесценция Gonyaulax polyedra [31]; II — спорообразование у Oedogoniutn cardiacutn [33];
III — локомоторная активность Periplaneta americana [34]; IV — локомоторная активность
Lacerta sicula [35]; V — вылет Drosophila [36]; VI — скорость роста колеоптилей овса [37].
температура. Было проделано несколько экспериментов по изучению влия-
ния температуры на спонтанную-частоту. Результаты, по-видимому, подтвер-
ждают предположение о том, что у организмов, которые возбуждаются
(становятся более активными) при повышении температуры, увеличение
активности сопровождается укорочением периода, а у организмов, актив-
ность которых понижается при повышении температуры, период при этом
удлиняется (фиг. 9). Точные измерения периода были выполнены в опытах
на представителях 5 видов (фиг. 9). В опытах с овсом было лишь отмечено,
что при переходе от 17 к 27° период если и сокращается, то всего на \час за
сутки [37]. Количественно активность была измерена лишь для представи-
телей трех видов, однако и в остальных случаях (пунктирные линии на
фиг. 9) нет никакого сомнения относительно направления изменения уровня
активности при повышении температуры. Гипотетические соотношения,
о которых свидетельствует фиг. 9, нуждаются, однако, в дальнейших под-
тверждениях. Можно привести два случая, в которых изменение отношения
а : р с повышением температуры согласуется с сформулированным выше
правилом: а) ритм интенсивности люминесценции у Gonyaulax, изученный
Гастингсом и Суини [32]; опираясь на данные, опубликованные выше этими
авторами, мы’получили результаты, представленные в табл. 2; б) ритм
локомоторной активности ящериц, изученный Гофманом (табл. 3).
40
Ю. Ашофф
Таблица 2
Период ритма и фаза активности* у Gonyaulax
в условиях непрерывного освещения при
различных значениях температуры
Температура, °C Период, час Фаза актив- ности, час
16,0 22,8 22,8
19,0 23,0 16,4
22,0 25,3 14,7
23,0 25,7 8,7
26,8 26,5 6,5
* Фаза активности определялась в данном случае как
время, в течение которого интенсивность люминесценции
превышала некоторую величину, выбранную произвольно
и условно принятую за 1 (см. фиг. 1 в работе Гастингса
и Суини [32]).
Таблица 3
Период ритма и фаза активности у ящериц
в условиях непрерывного освещения при
различных значениях температуры
Температура, °C Период, час Фаза активности, час
16 25,25 5,0
25 24,34 7,3
35 24,19 12,7
В соответствии с изложенным выше правилом продолжительность фазы
активности у Gonyaulax с повышением температуры сокращается, а у яще-
риц удлиняется (конечно, лишь в той области температур, где активность
животных растет с повышением температуры). Только в этой области орга-
низм можно назвать «теплоактивным» по аналогии с «светоактивным» (или
дневным).
В обоих этих случаях существует оптимум температуры и интенсивности
освещения, выше которого активность падает, и тогда организмы становятся
«темноактивными» (ночными) и «холодоактивными». В большинстве случаев
светоактивные животные оказываются и теплоактивными, а темноактив-
ные — холодоактивными (если исследования проводятся при нормальных
для данного животного значениях освещенности). Gonyaulax как исключение
является, по-видимому, одновременно светоактивным и холодоактивным.
Как показал Вент, та же самая картина наблюдается у Saintpaulia
ionantha, так как для нее в циклически меняющихся условиях среды наибо-
лее предпочтительны холодный участок температурного цикла и свет-
лый участок цикла свет — темнота. Следовательно, можно ожидать, что
при увеличении освещенности и при возрастании температуры спонтанная
частота у Saintpaulia будет меняться в противоположных направлениях.
Экзогенные и эндогенные компоненты циркадных ритмов
41
ТОЧНОСТЬ ЧАСОВ
Если при постоянных условиях среды период часов не равен точно 24 час,
то это само по себе не может служить признаком «неточности хода часов»
[38]. Точность определяется тем, в какой степени часы сохраняют опреде-
ленную частоту. Для того чтобы вы-
яснить это, нужно измерить, как 20г
каждый отдельно взятый период от- ' 4
личается от значения, полученного
усреднением по всем периодам. /2 - * л° •
Обычно мерой точности служит ве- -
личина стандартного отклонения. 8 - х°
Чтобы сравнить точность часов, 4 “ ’•
имеющих различные периоды, луч- _ .д дх°,л
ше выражать стандартное откло-
нение в процентах от среднего зна-
чения. На фиг. 10 представлены та-
кие данные для длины периода, вре-
мени активности и времени покоя
у 4 зябликов. Активность птиц была
измерена в условиях непрерывного
освещения при 4 различных значе-
ниях освещенности. ‘Каждая точка
представляет стандартные отклоне-
ния частоты у одной птицы по край-
ней мере в течение 10 дней. В от-
дельных случаях, если спонтанная
частота имела разные значения при
одной и той же освещенности (ср.
фиг. 3), стандартные отклонения вы-
числялись для всех частот. Каждая
точка на фиг. 10,А соответствует
некоторой точке на фиг. 10,£ (фаза
активности) и фиг. 10,В (фаза покоя).
Из фиг. 10 ясно видно, что точ-
ность часов меняется с частотой и раз-
лична для фазы активности и фазы
покоя. Рассматривая фиг. 10,А
(длина периода), можно сказать, что
часы идут тем точнее, чем длиннее
период; наибольшей точностью они
О Li_i
20
40 р
20 -
Дц
740 г
120 -
100 -
J—i—।—I—J—i___। 1 । ।__।_1__L_i
21 22 23 24 25
Период, час &
-U, L-J—I I I 1 ! J 1 J 1 ।
9 11 13 15 17 19 21
Время- активности, час
80 - °
' д '*
60 -
*
40 - t
20 -
• * °
п Lu.,1 ..и. । т и . г .£. । I l i-i
Г 7- 9 U 13 1517 19
• Времяпокоя, час
Фиг. 10. Стандартное отклонение от
среднего значения длины периода (А),
фазы активности (Б) и фазы покоя (В) у
4 зябликов, измеренное в условиях не-
прерывного освещения при разных значе-
обладают в том случае, когда спон-
танный период равен периоду враще-
ния Земли. Уменьшается ли точность
ниях освещенности.
Каждая точка представляет собой результат
усреднения по нескольким периодам для каж-
дой птицы.
часов при периодах, превосходящих
24 час (что соответствует низкой частоте при очень тусклом свете),
по полученным нескольким точкам судить трудно. В отношении дли-
тельности фазы активности (фиг. 10, Б) часы идут почти с одинаковой точ-
ностью при разных частотах, но и здесь точность уменьшается с удли-
нением этой фазы (т. е. с увеличением частоты). Из фиг. 10,В, иллю-
стрирующей зависимость стандартного отклонения от длины фазы покоя,
видно, что точность хода часов быстро уменьшается при укорочении этой
фазы (другими словами, при ускорении хода часов). В среднем для всех
42
Ю. Ашофф
4 птиц и всех частот стандартное отклонение для фазы активности меньше,
чем для фазы покоя. В связи с этим следует отметить и другое важное наблю-
дение. Анализируя каждый отдельный период в отношении фазы активности
и фазы покоя, можно обнаружить, что чем больше первая, тем в среднем
короче вторая, и наоборот. На основании этих двух фактов можно заклю-
чить, что часы регулируют свой период в основном путем поддержания на
постоянном уровне фазы активности, а ошибки исправляются за счет фазы
покоя. Но это объяснение, хотя оно и правдоподобно, является лишь одним
из многих возможных. Если начало активности фиксируется более точно,
чем конец, может получиться та же самая отрицательная корреляция между
фазой активности и фазой покоя. В этом случае точность хода часов будет
поддерживаться за счет исправления длины периода, а не фазы активности,
что, по-видимому, еще более вероятно.
ЭКЗОГЕННЫЕ КОМПОНЕНТЫ
ОБЩИЕ ЗАМЕЧАНИЯ
Действие периодически меняющихся факторов окружающей среды,
которые мы называем датчиками времени, состоит в следующем: 1) они
синхронизуют циркадный ритм с периодическими изменениями во внешней
среде; 2) синхронизуют ритмы нескольких организмов одного вида и держат
их в одной фазе; 3) синхронизуют ход циркадных часов в организме (если
таких часов несколько); 4) синхронизуют, сдвигая фазу; 5) влияют на харак-
тер циркадной периодичности.
Пункт 1 верен по определению. Пункт 2 подразумевает одинаковую
чувствительность всех организмов данного вида к внешним датчикам време-
ни; если бы это было не так, то организмы не могли бы находиться в одной
фазе (ср. стр. 48) и тогда невозможно было бы обнаружить ритм, свойствен-
ный всему виду (ср. стр. 53). Наиболее важен пункт 4, указывающий способ
осуществления синхронизации; он связан с пунктом 5, но не идентичен ему
(ср. снова стр. 48 и 53).
Синхронизация ритмов означает, что по крайней мере два ритма син-
хронны друг другу. Следовательно, датчиком времени может служить
только периодически меняющийся фактор среды. Правда, единичный сигнал
может повлиять на фазу ритма, т. е. на короткое время привести параллель-
но существующие ритмы к одной фазе. Но единичный сигнал не может
вызывать синхронизацию на длительное время. Поэтому мы не можем согла-
ситься с утверждением де Курси [39], что единичные отдельные сигналы —
это важный класс датчиков времени. Только повторяющиеся единичные
сигналы могут служить синхронизаторами ритмов. Первое более или менее
детальное определение понятия «датчик времени», данное в 1954 г. [4],
гласило: «Датчиком времени может служить а) один короткий сигнал, повто-
ряющийся через каждые 24 час", б) непрерывно меняющийся фактор, напри-
мер суточные колебания температуры, или в) периодическое изменение
установившихся условий, например чередование света и темноты». Таковы
три мыслимых типа датчиков времени. Вопрос о том, все ли они эффективны
в действительности, требует экспериментальной проверки.
Труднее выяснить, от каких параметров датчика времени зависит его
эффективность. Исходя из данного выше определения, следует рассмотреть
две возможности, разницу между которыми легко объяснить, взяв в качест-
ве датчика времени чередование света и темноты. Первая возможность:
Экзогенные и эндогенные компоненты циркадных ритмов 43
эффективно само установившееся состояние, т. е. весь световой и (или) весь
темновой период. Вторая возможность: эффективны только переходы от
одного состояния к другому, т. е. в естественных условиях — начало или
конец дня. Не исключено также и сочетание обеих этих возможностей. По
предложению Вевера [31], первый эффект называется пропорциональным,
а второй — дифференциальным (фиг. 11). При пропорциональном эффекте
результат пропорционален действию, которое вызывают в организме сти-
мулы датчика времени в его устойчивом состоянии; эффект сохраняется
постоянным, пока не изменяется интенсивность стимула. При дифференци-
альном эффекте влияние датчика проявляется лишь при изменении его
состояния, а в устойчивом состоянии он никакого действия не оказывает.
А _! \—! \
Б „Г
в -L--------1---_J-------
Фиг. 11. Три возможных типа датчиков времени: А — пропор-
циональный; Б —дифференциальный; В — импульсный.
Особый тип датчика времени, в природных условиях не встречающийся,—
это повторяющийся единичный сигнал. Такой датчик можно назвать импуль-
сным и рассматривать как крайний случай датчика времени с двумя диф-
ференциальными эффектами, в котором изменение от одного устройчивого
состояния к другому и обратно происходит за чрезвычайно короткое время.
Эффективным может быть лишь такой датчик времени, который влияет
на фазу ритма. Существует две возможности вызвать сдвиг фазы ритма коле-
бательной системы: а) быстрый подъем или спуск уровня активности;
величина сдвига зависит от фазы, при которой произошло изменение уровня,
и от разности между двумя уровнями; б) изменение скорости на некотором
участке периода; величина сдвига зависит от того, насколько быстро меняет-
ся скорость и как долго она остается измененной.
Теперь возникает вопрос, каким образом сдвигается фаза ритма при
пропорциональном и дифференциальном действии цикла свет — темнота.
Пропорциональный эффект можно представить как влияние на скорость.
Чем дольше система совершает колебания с большей или меньшей ско-
ростью, т. е. чем дольше продолжительность светового или темнового
периодов, тем больше опережение или запаздывание по фазе соответственно.
Дифференциальный датчик при искусственном включении и выключении
света действует в практически неизмеримо короткий отрезок времени.
И было бы бессмысленно говорить об изменении угловой скорости в течение
этого очень короткого промежутка времени. Сдвиг фазы наступает почти
моментально. На основании имеющихся у нас данных мы пока не можем
установить, влияют ли на уровень активности один или оба эти типа датчи-
ков времени. Значение этого вопроса в связи со всеми проблемами сдвига
фазы под влиянием датчика времени обсуждается в работе Вевера (стр. 325).
Решить, вызывают ли естественные датчики времени пропорциональ-
ный или дифференциальный эффект, пока еще невозможно. По-видимому,
у большинства организмов оба эти эффекта наблюдаются совместно. Вероят-
но, у одних видов преобладает главным образом дифференциальный тип
синхронизации, тогда как у других (мышей?) — пропорциональный (ср.
44
Ю. Ашофф
стр. 48). Теоретически возможны и импульсные датчики времени. Однако
удивительно, что этот тип датчика еще не удавалось наблюдать в экспери-
менте. Некоторые данные говорят как будто против его существования.
Например, если световой или темновой период при искусственном режиме
свет — темнота с периодом 24 час сильно сокращается (становится меньше
1 час), то некоторые организмы перестают поддаваться синхронизации,
и периодические процессы происходят у них с собственной частотой. Но
эти результаты нельзя считать строгим доказательством того, что импульс-
ный датчик времени в принципе не эффективен. Следовало бы проверить, не
объясняются ли они тем, что в этих случаях импульсные датчики просто
слишком слабы, чтобы противостоять сильному влиянию очень долгого
светового (или темнового) периода. Очевидно, чтобы быть эффективными,
импульсные датчики времени с 24-часовым периодом должны быть тем
сильнее, чем больше период спонтанного ритма организма отличается от
24 час из-за влияния других условий (скажем, интенсивности света в течение
светового периода и длины светового периода; ср. следующий раздел).
Чтобы стать эффективным, датчик времени должен посылать оказываю-
щие определенное действие сигналы, а чтобы организм подвергался синхро-
низации, он должен быть чувствителен к этим сигналам. Периодически
меняющаяся чувствительность, или реактивность, является одной из
неотъемлемых характеристик автоколебательной системы. Ритмическое
изменение порога возбуждения можно продемонстрировать на примере изме-
нения чувствительности изолированного сердца лягушки к электрическому
раздражению. О суточных изменениях реактивности свидетельствуют опыты,
в которых индикаторами служили фотопериодические процессы [64]. Пери-
одические изменения были отмечены и при определении порогов чувстви-
тельности у человека [40]. Но важность ритмического изменения чувстви-
тельности для сдвига фазы удалось показать лишь несколько лет назад
в великолепных экспериментах, цель которых состояла в измерении сдви-
гов фазы под влиянием единичных световых сигналов [14, 17, 39, 41, 42].
Результаты этих работ непосредственно указывают на существование цир-
кадной периодичности в реактивности организма. Подобные же данные были
получены при использовании в качестве внешних воздействий температур-
ных шоков [44, 45].
В кривых, описывающих циркадные ритмы чувствительности к очень
коротким вспышкам света, наиболее ясно проявляется дифференциальное
действие датчиков времени. О роли пропорционального датчика судить по
таким кривым, конечно, нельзя. Если же продолжительность световых
сигналов достаточно велика, то вызываемый ими сдвиг фазы представляет
собой комбинацию двух дифференциальных и одного пропорционального
эффектов. Решить, вызывается ли сдвиг фазы в этом случае одним или двумя
дифференциальными стимулами, пропорциональным стимулом или всеми
тремя вместе, очень трудно. При увеличении продолжительности светового
сигнала роль пропорционального эффекта должна возрастать, т. е. чем
больше промежуток между включением и выключением света, тем отчетли-
вее должен проявляться пропорциональный эффект. Следовательно, в усло-
виях постоянного освещения проявляется, как упоминалось выше, чистый
пропорциональный эффект (см. фиг. 4). Возвращаясь к фиг. 9, можно уви-
деть, что температура вызывает заметный пропорциональный эффект только
у Gonyaulax.
Отметим коротко некоторые трудности, связанные с этим вопросом.
Если пропорциональный эффект был доказан посредством измерения
периода в условиях постоянного освещения при различных значениях осве-
Экзогенные и эндогенные компоненты циркадных ритмов 45
щенности, это не обязательно означает, что пропорциональный стимул будет
эффективным и в условиях чередования света и темноты, так как в послед-
нем случае может наблюдаться нечто подобное «блокировке» под влиянием
предыдущего дифференциального стимула.
Вместе с тем, если в условиях непрерывного освещения период при
увеличении освещенности не меняется, это не значит, что цикл свет — темно-
та не может действовать в качестве датчика времени — периодические изме-
нения освещенности могут вызывать дифференциальный эффект.
КРИТЕРИИ ДЛЯ ДАТЧИКОВ ВРЕМЕНИ
Датчиком времени называется периодический процесс в окружающей
среде, синхронизующий эндогенный циркадный ритм. Поэтому для изучения
механизма действия датчика времени выбирают организмы, обладающие
Время, дни
Фиг. 12. Ритм активности зяблика при чередовании 12 час света
(400 лк) и 12 час темноты (0,4 лк).
Фаза синхронизатора сдвигается на 12 час посредством удвоения теглнового (Л)
или светового (Б) периода.
эндогенным ритмом. При решении вопроса о том, является ли данный перио-
дический процесс в окружающей среде датчиком времени для изучаемого
организма, можно ставить три типа экспериментов.
1. Задержка естественного хода часов. Измеряют спонтанную частоту
организма в постоянных условиях, после этого в течение нескольких перио-
дов организм подвергают воздействию внешнего периодического процесса,
подлежащего изучению, а затем его вновь переводят в постоянные условия.
Пример такого эксперимента приведен на фиг. 2.
2. Сдвиг фазы. Пусть внешний периодический сигнал, с которым перио-
дические процессы в организме уже синхронизованы, неожиданно претер-
певает сдвиг фазы. Если датчик времени эффективен в полной мере, организм
также последует за этим сдвигом и через несколько периодов соотношение
фаз между организмом и датчиком времени вновь вернется к исходному.
Эксперименты такого типа, произведенные на зябликах в условиях чередо-
вания 12 час света (400 лк) и 12 час темноты (0,4 лк), представлены на фиг. 12
и 13. Фазу датчика времени сдвигали на 12 час удвоением светового периода
в одном опыте и удвоением темнового — в другом. Примерно за 4 периода
синхронизация во всех случаях восстанавливалась, причем в процессе
46
Ю. Ашофф
синхронизации амплитуда уменьшалась (фиг. 12). Изменения разности
фаз между ритмом организма и датчиком времени видны на фиг. 13. Этот
график лучше слов объясняет механизм сдвига фазы: при удвоении времени
пребывания на свету период у птиц сокращается, а при удвоении времени
пребывания в темноте — удлиняется. Для темноактивных (ночных) живот-
ных картина, по-видимому, будет обратной.
Е
темнота
свет
I
600-у
О 400~
§£ 200-
Е« - >
»с
10 15
Время, дни
20
О
5 5
Фиг. 13. Графики, иллюстрирующие сдвиг фазы в опытах по ре-
гистрации начала (/) и конца (II) активности у трех зябликов
при чередовании 12 час света (400 лк) и 12 час темноты (0,4 лк).
Время среднеевропейское.
3. Изменение частоты. Под влиянием эффективных датчиков времени
в организме могут возникнуть ритмы с самыми разными частотами (но лежа-
щими в определенных пределах). Примеры таких экспериментов приводятся
на фиг. 15 и 17.
Из первоначального определения датчика времени следует, что им
может служить любой фактор окружающей среды, к которому организм
чувствителен [4]. В последнее время некоторые авторы склоняются все боль-
ше к мысли о большей специфичности датчиков времени. Обычно датчиками
времени считают периодически меняющуюся температуру и освещение. Было
опубликовано несколько экспериментов, указывающих на то, что периоди-
ческое кормление и раздражение шумом можно исключить из числа факто-
ров, задающих ритм [14, 39]. Но мы далеко не уверены, что эти результаты
в полной мере убедительны. Эксперименты, недавно проведенные в Гейдель-
берге, показали, что птицы, обладающие спонтанной частотой в условиях
непрерывного освещения (0,4 лк), могут быть синхронизованы 24-часовым
циклом (12 час кормления и 12 час голодания). К этому же результату приво-
дит, по-видимому, и цикл 12 час неспецифического шума — 12 час тишины.
Эти эксперименты еще не закончены, и сейчас рано говорить об окончатель-
ных результатах. Но важно отметить, что эти неспецифические датчики
времени, даже если они и эффективны в отдельных случаях, теряют свою
эффективность при большой интенсивности непрерывного освещения. Как
было указано выше, относительно слабый 24-часовой датчик времени не
Экзогенные и эндогенные компоненты циркадных ритмов 47
может синхронизовать эндогенный ритм, период которого сильно отличается
от 24 час.
Конечно, не все возможные датчики времени эффективны в одинаковой
степени. С этой точки зрения температура и освещение являются главными
факторами внешней среды, действующими на организм. Но «сила» датчика
зависит, вообще говоря, от ряда факторов, к которым относятся: чувстви-
тельность организма к датчику времени; отношение длительностей разных
состояний датчика (например, длительностей темнового и светового перио-
дов); относительное и абсолютное значение интенсивности в течение всего
периода действия датчика (например, интенсивность освещения как в свето-
вом, так и в темновом периоде); некоторые общие условия (степень постоян-
ства температуры при чередовании света и темноты, функциональное состоя-
ние организма и т. д.).
МАСКИРУЮЩИЕ ФАКТОРЫ И ДАТЧИК ВРЕМЕНИ
Пропорциональные и дифференциальные датчики времени эффективны
только в том случае, если амплитуда их изменений достаточно велика.
В цикле свет — темнота очень важна разница между интенсивностями
освещения в световом и темновом периоде. Более того, важна не только
разница, но и абсолютное значение интенсивности. Датчик времени с ампли-
тудой 200 лк очень эффективен, если темновой период соответствует полной
темноте. Если же освещенность в темновом периоде составляет 4 лк, а в све-
Ф и г. 14. Ритм активности зеленушек (Chloris chloris) при
чередовании света и темноты (общая длина периода 24 час).
Цифры справа означают продолжительность светового периода. Время
среднеевропейское.
48
Ю. Ашофф
товом 204 лк, то, несмотря на ту же самую амплитуду, эффективность дат-
чика будет близка к нулю (ср. фиг. 16). С этой точки зрения, вероятно, было
бы правильнее производить эксперименты в таких условиях, когда темновой
период цикла соответствует полной темноте. Но при изучении некоторых
специальных особенностей механизма действия датчиков времени, например
его влияния на фазу эндогенного ритма, это, по-видимому, неверно. В при-
роде никогда не бывает совершенно темной ночи; она осуществима лишь
в лабораторных условиях. Поэтому эксперименты с «абсолютной»темнотой
в темновом периоде могут привести к ошибочным результатам, особенно если
изучается ориентация животных по свету. На фиг. 14 приводится подобный
пример, опубликованный в одной из наших ранних работ [46]. Зеленушки
(Chloris chloris), выдерживаемые в условиях искусственного 24-часового
дня с 10, 8, 6 и 4-часовым световым периодом, начинают и прекращают свою
активность точно при включении и соответственно выключении света. Но
если освещенность в темновом периоде составляет хотя бы 0,1 лк, результаты
получаются совершенно иными (ср. фиг. 16 и 19). На примере фиг. 14 видно,
что определенные (иногда незамеченные) условия эксперимента (можно
назвать их маскирующими условиями [47]) могут скрывать истинную
природу датчика времени. Поэтому следует подчеркнуть, что в эксперимен-
тах вообще, а в экспериментах с датчиками времени в особенности, маскиру-
ющие условия должны быть по возможности исключены.
ФАЗОВЫЙ УГОЛ
Синхронизация ритма происходит путем изменения его фазы. Это
означает, что если некоторый датчик времени синхронизует спонтанный ритм
организма, то между циклом датчика и ритмом организма устанавливается
определенная разность фаз. Чтобы измерить эту разность фаз, нужно
выбрать точку отсчета в периоде датчика времени и в периоде организма. Для
этого существует несколько возможностей. Рассмотрим в качестве иллю-
страции фиг. 15. Графики в двух колонках описывают активность мышей
в условиях чередования света и темноты, причем каждая кривая представляет
собой результат усреднения для трех особей по нескольким периодам. Гра-
фики / описывают результаты экспериментов в условиях циклов свет — тем-
нота с различными периодами (от 26 до 21 час), но одинаковой длительностью
пребывания мышей на свету и в темноте, графики II — результаты экспе-
риментов [48], в которых период был всегда равен 24 час, а отношение С : Т
менялось в пределах от 12 : 12 до 20 : 4.
Обсудим сначала фиг. 15, //. Двумя главными точками отсчета в пери-
оде датчика времени являются начало и конец светового периода; можно
также использовать и средние точки светового или темнового периодов.
В периоде спонтанного ритма организма можно в качестве точек отсчета
выбрать максимумы или минимумы активности (последние соответствуют
моментам начала активности). Но в обоих этих случаях априори не ясно,
какие точки удобнее использовать для изучения сдвига фазы. При рассмо-
трении графиков становится очевидным что, фазовый угол между максимумом
и началом или концом светового периода при всех условиях одинаков,
а между максимумом и средней точкой меняется. С минимумами активности
дело обстоит не так ясно. Но и здесь фазовый угол между минимумом и нача-
лом светового периода во всех случаях (за исключением самой нижней
кривой) одинаков. Можно ли сделать какие-либо выводы из этих фактов?
Если и начало и конец светового периода вызывают дифференциальный
эффект, можно ожидать, что фаза ритма будет связана с длительностью
Экзогенные и эндогенные компоненты циркадных ритмов
49
светового периода. В результате такой регуляции минимумы и максимумы
должны были бы лежать на прямых, параллельных прямой, проходящей
через средние точки. Наоборот, если бы датчик времени был пропорцио-
нальным, то возрастающее влияние на угловую скорость увеличивающе-
гося светового периода было бы компенсировано сдвигом фазы, обусловлен-
ным изменением отношения светового и темнового периодов. Следовательно,
В
а
В
6?
4-
2~
26 час
6?
4
2d
О
О
200-1
2001
100
12 24 ч ас
<з
2
О
12,5 25час
Г-
12\ 24-час
е3 1 Ж/Л
111,51 25час
О
О
200
100
74 24 час
100 Н
0 ' | 16 fyt-час
О
6
4-
2 -
о-
200~\
100
О
18 24 час
0 11 ' 22час
6
4
2
О
О 10,5 21 час
i* i
♦ \ Максимум
, I активности
Начало
активности
200~\
100
20 24 час
О
| Начало активности
Середина светового
периода
О
О
Фиг. 15. Ритм активности мышей при чередовании света и тем-
ноты (усреднение по трем особям и по крайней мере по 6 периодам
для каждой особи).
/ — период ритма меняется от 26 до 21 час, отношение С : Т сохраняется
неизменным (1 : 1), II — меняется отношение С : Т, длина периода постоян-
ная (24 час).
при пропорциональном датчике времени разность фаз между максимумами
или минимумами активности и средними точками должна меняться. Так
как у мышей это происходит именно таким образом независимо от того,
следим ли мы по максимумам или по минимумам активности, то можно
думать, что цикл свет — темнота действует на мышей скорее по типу
пропорционального датчика времени, чем дифференциального. Вместе
с тем очевидно, что как начало, так и конец светового периода сопровожда-
ются возрастанием активности; это может свидетельствовать скорее о диф-
ференциальном эффекте датчика.
При изменении частоты ритма датчика времени (фиг. 15, /) происходят
отчетливые и значительные изменения разности фаз между организмом
и датчиком (независимо от выбора исходной точки). Если период датчика
времени больше 24 час, ритм организма опережает по фазе период датчика;
50
Ю. Ашофф
если период короче, ритм организма отстает. В условиях искусственного
26-часового дня активность начинается в самом начале светового периода
(мыши полностью светоактивные). В условиях 24-часового дня минимумы
активности сдвинуты ближе к началу темнового периода (мыши темноактив-
ные). Отметим следующий интересный факт. Как при 26-часовом, так и при
21-часовом дне мыши обладают почти одинаковым уровнем общей активности.
Это означает, что общая активность мышей не зависит практически от того,
когда они активны — на свету или в темноте. Это соответствует результатам
экспериментов, проводимых в условиях постоянного освещения при различ-
ных значениях освещенности (см. фиг. 8), а также указывает на то, что
Время, дни
Фиг. 16. Графики, иллюстрирующие сдвиг фазы ритма в опытах
по регистрации начала (/) и конца (//) активности зябликов при
чередовании 12 час света (200 лк) и 12 час темноты (4 лк).
Время среднеевропейское. Фаза синхронизатора изменена посредством удвое-
ния светового периода на 11-й день. Объяснение см. в тексте.
у мышей сдвиг фазы под влиянием датчика времени осуществляется в основ-
ном через влияние на угловую скорость, а не на уровень активности [31].
Это можно рассматривать как лишнее доказательство в пользу того, что
цикл свет — темнота действует на мышей как дифференциальный датчик
времени.
Фаза зависит не только от величины С : Т или от частоты цикла; важна
также интенсивность освещения в течение каждого из периодов.
Как показано на фиг. 13, фаза активности у зябликов в условиях цикла
свет — темнота (12 : 12) может совпадать со световым периодом, даже если
темновой период соответствует не «полной темноте», а лишь слабой освещен-
ности (0,4 лк). Если освещенность в темновом периоде возрастает до 4 лк,
наблюдается совершенно иная картина (фиг. 16, Л). В этом случае актив-
ность начинается с середины темнового периода; оканчивается она, как
и в случае, изображенном на фиг. 13, одновременно с гашением света.
Разность фаз между ритмом датчика времени и спонтанным ритмом организ-
ма (если брать за начало отсчета минимум активности) также меняется;
время активности удлиняется на 50%. О том, что цикл свет (400 лк) — темно-
та (4 лк) эффективен как датчик времени, свидетельствует наличие вызывае-
мых им сдвигов фаз. После удвоения длительности светового периода исход-
Экзогенные и эндогенные компоненты циркадных ритмов 51
ная разность фаз между ритмом датчика и спонтанным ритмом у двух зяб-
ликов восстанавливается в течение нескольких периодов. Третья птица
ведет себя по-иному (фиг. 16, Б). Она отличалась от первых двух уже с само-
го начала, так как продолжала в течение первых 4 дней сохранять спонтан-
ный 16-часовой период, и синхронизация удалась лишь на пятый день. Но
даже и тогда ее фаза была совершенно ненормальной: активность наступала
при изменении освещения от 200 лк до 4 лк, а оканчивалась в начале свето-
вого периода. После того как фаза датчика времени была изменена, синхро-
низация сохранялась, но разность фаз между ритмом птицы и ритмом
датчика изменялась на 180°. Фиг. 16 иллюстрирует зависимость эффектив-
ности датчика времени от интенсивности освещения как в темновом, так
и в световом периоде. Если эффективность датчика времени достигает мини-
мально возможных значений, то синхронизация еще возможна, но сдвигфазы
весьма сомнителен.
При рассмотрении фиг. 16 можно сделать еще один вывод. Как показы-
вают другие эксперименты, период спонтанного ритма у зябликов при
постоянном освещении короче 24 час как при освещенности 200 лк, так и при
освещенности 4 лк. Если бы цикл свет — темнота в качестве датчика времени
вызывал чисто пропорциональный эффект, т. е. влиял только на угловую
скорость, можно было бы ожидать, что при чередовании освещенности
200 и 4 лк с периодом 24 час синхронизации происходить не будет. Следова-
тельно, цикл свет — темнота не может действовать на птиц как чисто пропор-
циональный датчик и должен вызывать более или менее сильный дифферен-
циальный эффект.
ФАЗОВЫЕ СООТНОШЕНИЯ У РАЗЛИЧНЫХ ОРГАНИЗМОВ
Из экспериментов, описанных в предыдущем разделе, можно заключить,
что фаза есть функция по крайней мере трех параметров датчика времени:
отношения длительностей темнового и светового периодов, частоты датчика
и освещенности во время темнового и светового периодов (аналогичные
параметры могут быть рассмотрены для датчиков времени других типов, но
только для цикла свет — темнота эти соотношения достаточно ясны).
Интересно рассмотреть фазовые соотношения у различных организмов в раз-
личных условиях. Казалось бы, что каждый вид должен по-разному реаги-
ровать на изменение одного или нескольких параметров датчика, упомянутых
выше. Как это ни удивительно, из анализа литературы следует, что
это не так. Установлено, что в экспериментах, проводимых в самых различ-
ных условиях, все исследуемые организмы ведут себя одинаково. На
фиг. 17 и 18 приведены для иллюстрации 10 примеров. При изменении
частоты (фиг. 17) у всех организмов фаза сдвигается в одном и том же
направлении: при высокой частоте фаза отстает от фазы при 24-часовом
периоде, а при низкой — опережает ее. Если же частота сохраняется
постоянной, а меняется отношение длительностей светового и темнового
периодов (фиг. 18), то сдвиги фазы гораздо меньше. У некоторых организмов
фаза стремится приблизиться к средней точке, у других — к началу или
концу светового периода. В общем у светоактивных животных фаза опреде-
ляется включением света, а у темноактивных — выключением. Как указы-
валось выше, это указывает скорее на пропорциональный, чем на дифферен-
циальный эффект (графики для Sylvaenus построены на основании очень
отрывочных данных и поэтому не вполне достоверны).
Разницу в величине сдвига фазы в двух экспериментах, показанных на
фиг. 17 и фиг. 18, можно частично объяснить одним очевидным фактом: при
4*
а д Phaseolus vitellinus
6 • Kalanchoe blossfeldiana
в о Pseudosmlttia arenaria
г x Calendula, aroensis
d v Pilobolus sphaerosporus
e • Chlorella pyrenoidosa
ж о Gonyaulax polyedra
3 x Mas musculus domestlcus
и a Isospora in Passer domest
к Д Plasmodium in Serious canaria
Фиг. 17. Сдвиг фазы при изменении длины периода, т. е. частоты, и постоянном
отношении светового и темнового периодов 1:1.
а — движение листьев [19]; б — раскрывание цветков [43]; в — вылет [50]; г — раскрывание
цветков [51], д — спорообразование [52]; е — деление клеток [53]; м. — люминесценция [54];
з — максимум активности [49]; и — спорообразование [55]; к - рост плазмодия [56].
---0:24-----
---24.0-----
---20:4 ----
----16.8 -----
----12:12-----
----8: 16------
----4: 20----
а д Phaseolus vitellinus
6 х Calendula aruensis
в • Kalanchoe blossfeldiana
г о Oryzias latipes
d v Pilobolus sphaerosporus
e • Pseudosmlttia arenaria
ж° Syluaenus (4podemus)sylvat
з a Mus musculus domestlcus
и x Rattus norueyicus
к- д Mus musculus domestidus
Фиг. 18. Сдвиг фазы при постоянной длине периода (24 час) и изменении отношения
С : Т.
а — движение листьев [19]; б — раскрывание цветков [51]; в — раскрывание цветков [43];
з _ кладка яиц [57]; д — спорообразование [52]; е — вылет [50]; м — максимум активности [58];
з, и, к — максимум активности.
Экзогенные и эндогенные компоненты циркадных ритмов
53
изменении частоты датчика времени два важных параметра датчика сдвига-
ются в одном и том же направлении. Если же частота остается постоянной,
то дифференциальный и пропорциональный параметры датчика сдвигаются
в противоположных направлениях. Следовательно, эффекты, вызываемые
I-----------1-----------1 I I
Oj 1,0 10 1000 10000
Освещенность, лк
в темновом периоде в световом периоде
(С >200лк) (Т — Олк)
Фиг. 19. Зависимость фазы ритма от освещенности в световом или темновом периоде
(СТ 12 : 12).
А — начало активности; Б — клеточное деление. По оси ординат отложено время (в часах) До
и после включения света. Данные для хлореллы взяты из работы Пирсона и Лоренцена [59].
датчиком времени, в первом случае складываются, а во втором — противо-
действуют друг другу. Значение противоположного направления сдвига
параметров датчика времени для сезонной фотопериодичности будет обсу-
ждаться в статье Вевера (стр. 325).
Влияние освещенности на фазу еще детально не изучено. Некоторые
данные указывают, по-видимому, на то, что различные организмы и в этом
отношении ведут себя одинаково. На фиг. 19, А показаны моменты начала
активности у трех разных птиц (0 соответствует включению света). Во всех
экспериментах освещенность в течение светового периода была постоянной
(200 лк), а освещенность (очень низкая) в темновом периоде менялась. У всех
трех видов активность начинается тем раньше, чем больше освещенность
в темновом периоде. Эти результаты можно сравнить с экспериментами,
проведенными на Chlorella [59]. В этом случае темнота в темновом периоде
была абсолютной, а менялась освещенность в световом периоде. При этом
фаза спонтанного ритма изменялась так же, как и в предыдущем случае.
СОВМЕСТНОЕ ДЕЙСТВИЕ ЭКЗОГЕННЫХ И ЭНДОГЕННЫХ КОМПОНЕНТОВ
Как было упомянуто выше (стр. 42) и показано на фиг. 15, датчик вре-
мени не только синхронизует циркадный ритм, но и влияет на его характер.
Правда, этот последний эффект больше зависит от эндогенных факторов, чем
от экзогенных.
Будет ли организм активен в световые или в темновые периоды при
чередовании света и темноты, зависит от особенностей самого организма.
Приведем для иллюстрации таких видовых и индивидуальных особенностей
два примера [60]. Различия в характере периодичности у разных видов
известны уже давно. На фиг. 20 приведены ритмы активности животных
темноактивных видов. Чтобы исключить влияние вариабельности общей
активности животных, значения активности приведены в процентах от ее
основного уровня. Каждая кривая представляет результат усреднения
Фиг. 20. Ритмы активности у животных трех разных видов
в условиях цикла СТ 12 : 12 (каждый вид представлен
тремя особями).
Для каждой особи усреднение проведено по 5 периодам (для Sorex
[16]) или по Десяти (для Mush М esocricetus).
Активность за 1 час, %
СТ 9:15
СТ 12:12
Время суток
Фиг. 21. Индивидуальные кривые активности двух мышей
(Л) и двух зябликов (Б).
На каждом графике 5 кривых, полученных в течение пяти последова-
тельных дней. По оси ординат за 100% принят средний уровень
активности за 24 час.
Экзогенные и эндогенные компоненты циркадных ритмов
55
данных для одной особи за несколько дней. Хорошо видно, что у животных,
относящихся к одному и тому же виду, общий характер кривых одинаков
и что животные разных видов явно различаются друг от друга.
Хотя обычно у особей одного вида кривые весьма похожи, можно, одна-
ко, выявить и индивидуальные различия. На фиг. 21 приведены данные для
двух мышей и двух птиц, полученные при искусственном цикле свет — тем-
нота. Они показывают, что: 1) для каждой особи кривая почти не меняется
в течение 5 дней (5 кривых на одном графике), 2) разница между кривыми
для двух особей одного вида статистически значима [6]. В основе этих
индивидуальных различий лежит, вероятно, различие в чувствительности
организмов к свету; оно определяет и индивидуальные различия в разности
фаз между минимумом активности и началом или концом светового периода
[39, 62, 631. Конечно, ни индивидуальные, ни видовые особенности не оста-
ются постоянными в течение долгого времени. Известно, что они меняются
не только по мере роста организма, но и у взрослого организма (например,
от сезона к сезону) [23]. Хороший пример изменения в свето- и темноактив-
ности дают мигрирующие птицы. Однако в тех случаях, когда условия
(внутренние и внешние) остаются постоянными, вполне можно говорить как
об индивидуальных, так и о видовых особенностях.
ЛИТЕРАТУРА
1. Aschoff J., Zeitliche Strukturen biologischer Vorgaenge, Nova acta Leopoldina,
21, 147—177 (1959).
2. H a 1 b e r g F., Physiologic 24-hour periodicity in human beings and mice, the
lighting regimen and daily routine, p. 803—878. Photoperiodism and Related
Phenomena in Plants and Animals, ed. Withrow. Washington, A. A. A. S.
(1959).
3. Aschoff J., Die 24-Stunden-Periodik der Maus unter konstanten Umgebungsbe-
dingungen, Naturwiss., 38, 506—507 (1951).
4. A s c h о f f J., Zeitgeber der tierischen Tagesperiodik, Naturwiss., 41, 49—56
(1954).
5. Halberg F., Visscher M. B., Bittner J. J., Relation of visual fac-
tors to eosinophil rhythm in mice, Am. J. Physiol., 179, 229—235 (1954).
6. Bruce V. G., Pittendrigh C. S., Endogenous rhythms in insects and
microorganisms, Am. Natural., 91, 179—195 (1957).
7. Pittendrigh C. S., Perspectives in the study of biological clocks, p. 239—
268. Symposium on Perspectives in Marine Biology, Berkeley, Univ, of Califor-
nia Press (1958).
8. Pfeffer W., Untersuchungen ueber die Enstehung der Schlafbewegun gen der
Blattorgane, Abhandl. saechs. Akad. Wiss., math, -physik. Kl-‘> 30, 257—272
(1909).
9. В г о w n F. A., Jr. Biological chronometry, Am. Natural., 91, 129—133 (1957).
10. В г о w n F. A., Jr. The rhythmic nature of life, p. 287—304, Advances in Inver-
tebrate Physiology, Univ. Oregon Publ. (1957).
11. В г о w n F. A., Jr. Living clocks, Science, 130, 1535—1544.
12. W e b b H. M., Brown F. A., Jr. Timing long-cycle physiological rhythms,
Physiol. Rev., 39, 127—158 (1959).
13. A s c h о f f J., M e у e r-L о h m a n n J., Die Schubfolge der lokomotori-
schen Aktivitaet bei Nagern, Pflugers Arch., 260, 81—86, 1954.
14. R a w s о n K. Homing behavior and endogenous rhythms, Ph. D Thesis, Har-
vard Univ., 1956.
56
Ю. Ашофф
15. Aschoff J., Meyer-Lohmann J., Die 24-Stunden-Periodik von Nagern
im natuerlichen und kuenstlichen Belichtungswechsel, Z. Tierpsychol., 11, 476—
484 (1954).
16. J oh ns on M., Effect of contionuous light on periodic spontaneous activity
of white-footed mice (Peromyscus), J. Exper. Zool. , 82, 315—328 (1939).
17, Hastings J. W., Sweeney В. M., A persistent diurnal rhythm of lumi-
nescence in Gonyaulax polyedra, Biol. Bull., 115, 440—458 (1958).
18. Hoffmann K-, Versuche zur Analyse der Tagesperiodik I. Der Einfluss der Li-
chtintensitaet, Z. vergl. Physiol (1960).
19. Pfeffer W., Beitraege zur Kenntnis der Entstehung der Schlafbewegungen.
Abhandl. saechs. Akad. Wiss., math.-physik. KI., 34, 1 —154 (1915).
20. A s c h о f f J., Frequenzaenderungen der Aktivitaetsperiodik bei Maeusen im
Dauerlicht und Dauerdunkel, Pflugers. Arch., 255, 197—203, 1952.
21. Aschoff J., Tierische Periodik unter dem Einfluss von Zeitgebern, Z. Tier-
psychol., 15, 1—30 (1958).
22. A s c h о f f J., Periodik licht- und dunkelaktiver Tiere unter konstanten Umge-
bungsbedingungen, Pflugers Arch., 270, 9 (1959).
23. A s c h о f f J., Aktivitaetsmuster Tagesperiodik, Naturwiss., 44, 361—367 (1957).
24. P i t t e n d r i g h C. S., Bruce V. G., An oscillator model for biological
clocks, p. 75—109, Rhythmic and Synthetic Processes in Growth, Princeton
Univ. Press., 1957.
25. Schwassmann H., В r a e m e r W., Personal communication, 1960.
26. Aschoff J., Meyer-Lohmann J., Angeborene 24-Stunden-Periodik
beim Kuecken, Pflugers Arch., 260, 170—176 (1954).
27. Hellbrugge Th., The development of circadian rhythms in infants, Cold
Spring Harbor Symp. on Quant. Biol. Vol- 25 (1960).
28. H о f f m a n n K-, Angeborene Tagesperiodik bei Eidechsen, Naturwiss., 44, 359—
360 (1957).
29. Hoffmann K-, Die Aktivitaetsperiodik von im 18- und 36-Stunden-Tag
erbrueteten Eidechsen, Z. vergl. Physiol., 42, 422—432 (1959).
30. A s c h о f f J., Tagesperiodik von Maeusestaemmen unter konstanten Umgebun-
gsbedingungen, Pflugers Arch., 262, 51—59 (1955).
31. We ver R., Possibilities of phase-control, demonstrated by an electronic model,
Cold Spring Harbor Symp. on Quant. Biol. Vol. 25 (1960).
32. H a s t i n g s J. W., Sweeney В. M., On the mechanism of temperature
independence in a biological clock, Proc. Nat. Acad. Sci., 43, 804—811 (1957).
33. Buhnemann F., Das endodiurnale System der Oedogonium-zelle III. Ueber
den Temperature-influss, L. Naturforsch. 10 b, 305—310 (1955).
34. В u n n i n g E., Ueber den Temperatureinfluss auf die endogene Tagesrhythmuk,
besonders bei Periplaneta amricana, Biol. Zbl., 77, 141 —152 (1958).
35. H о f f m a n n K-, Ueber den Einfluss der Temperatur auf die Tagesperiodik bei
einem Poikil othermen, Naturwiss., 44, 358—359 (1957).
36. P i t t e n d r i g h C. S., On temperature independence in the clock system con-
trolling emergence time in Drosophila, Proc. Nat. Acad. Sci. 40, 1018—1029 (1954).
37. В a 1 1 N. G., D у к e I. J., En endogenous 24-hour rhythm in the growth rate of the
Avena coleoptile, J. Exper. Bot., 5, 421—433 (1954).
38. Hastings L. W., Unicellular clocks, Ann. Rev. Microbiol., 13, 297—312 (1959).
39. D e Coursey P. J., Daily activity rhythms in the flying squirrel Glaucomys
volans, Ph. D. Thesis, Univ, of Wisconsin, 1959.
40. Gehrke K., Tageszeitliche Unterschiede der Gehoersempfindlichkeit, Dr. Dis-
sertation, Univ. Goettingen, 1956.
41. P i 11 e n d r i g h C. S., В r u с e V. G., Kaus P., On the significance of tran-
sients in daily rhythms, Proc. Nat. Acad. Sci., 44, 965—973 (1958).
Экзогенные и эндогенные компоненты циркадных ритмов
57
42. В г и с е V. G., Р i t t е п d г i g h C. S., Resetting the Euglena clock with a single
light stimulus, Am. Natural., 92, 295—306 (1958).
43. Biinsow R., Endogene Tagesrhythmik und Photoperiodismus bei Kalan-
choe blossfeldiana, Planta, 42, 220—252, 1953.
44. Stephens G. C., Influence of temperature fluctuations on the diurnal
melanophore rhythm of the fiddler crab Uca, Physiol. Zool., 30, 55—69
(1957).
45. В u n n i n g E., Zur Analyse des Zeitsinnes bei Periplaneta amerlcana, Z. Natur-
forschg., 14b, 1—4 (1959).
46. Aschoff J., Meyer-Lohmann J., Die Aktivitaet gekaefigter Gruenfinken
im 24-Stunden-Tag bei unterschiedlich langer Lichtzeit mit und ohne Daemmerung,
Z. Trierpsychol., 12, 254—265 (1955).
47. F г у F. E. J., Effects of the environment on animal activity, Univ. Toronto Stud.
Biol. Ser., 55, 1—62 (1947).
48. Aschoff J., Meyer — Lohmann J., Die Aktivitaetsperiodik von Nagern
im kuenstlichen 24-Stunden-Tag mit 6 bis 20 Stunden Lichtzeit, Z. vergl. Phy-
siol., 37, 107—117 (1955).
49. T r i b u к a i t B., Die Aktivitaetsperiodik der weissen Maus im Kunsttag von
16 bis 29 Stunden' Laenge, Z. verg. Physiol., 38, 479—490 (1956).
50. R e m m e r t H., Untersuchungen ueber das tageszeitlich gebundene Schluepfen
von Pseudosmittia arenaria, Z. vergl. Physiol., 37, 338—354 (1955).
51. S t о p p e 1 R., Ueber den Einfluss des Lichtes auf das Oeffnen und Schliessen eini-
ger Blueten, L. f. Bot., 2, 369—453 (1910).
52. Uebelmesser E. R., Ueber den endonomen Tagesrhythmis der Sporangien-
traegerbildung von Pilobolus, Arch. MikrobioL, 20, 1—33 (1954).
53. L о r e n z e n H., Synchrone Lellteilung von Chlorella bei verschiedenem Licht-
Dunkel-Wechsel, Flora, 144, 473—496 (1957).
54. Hastings J. W., Sweeney В. M., The Gonyaulax clock, p. 567—584,
Photoperiodism and Related Phenomena in Plants and Animals, ed. Withrow.
Washington, A. A. A. S., 1959.
55. Boughton D. C. Atchley F. O., Eskridge L. C., Experimental
modification of the diurnal oocyst-production of the sparrow coccidium, J. Exper.
Zool., 70, 55—74 (1935).
56. В о у d G. H., Experimental modification of the reproductive activity of Plasmo-
dium cathemerium, J. Exper. Zool., 54, 111—126 (1929).
57. E g a m i N., Effect of artificial photoperiodicity on time of oviposition in the
fish Oryzias latpes, Annot. Zool. Jap., 27, 57—62 (1954).
58. M i 1 1 e r R. S., Activity rhythms in the wood mouse, Apodemus sylvaticus, and
the bank vole, Clethryonomys glareolus, Proc. Zool. Soc., London, 125, 505—519,
1955.
59. P i r s о n A., Lorenzen H., Ein endogener Zeitfaktor bei der Teilung von
Chlorella, Z. f. Bot., 46, 53—66 (1958).
60. Aschoff J., Honma K-, Ari- und Individualmuster der Tagesperiodik, Z. vergl.
Physiol., 42, 383—392, 1959.
61. Crowcroft P., The daily cycle о f activity in British shrews, Proc. Zool. Soc.,
London, 123, 715—729 (1954).
62. D u n n e 11 G. E., Hinde R. A., The winter roosting and awakening behavi-
our of captive great tits, Brit, J. Animal. Beh., 1, 91—95 (1953).
63. S c h e e r G., Beobachtungen und Untersuchungen ueber die Abhaengigkeit des
Fruehgesanges der Voegel von inneren und (1952) aeusseren Faktoren, Biol*
Abhandl., Heft, 3/4, I—68
64. A s c h о f f J., Jahresperiodik der Fortpflanzung bei Warmblutern, Studium gene-
rate 8, 742—776 (1955).
58
Ю. Ашофф
ОБСУЖДЕНИЕ ДОКЛАДА
Б юн н и н г. С экологической точки зрения, конечно, интересно,
каким образом длина периода зависит от продолжительности освещения
белым светом или от продолжительности темнового периода. Но с позиций
физиологии, вероятно, более интересно, что продолжительность светового
периода влияет совершенно по-разному в зависимости от спектрального
состава света. У Phaseolus и некоторых других растений период в условиях
длительного освещения красным светом на 2—5 час длиннее, чем при непре-
рывной темноте, тогда как при действии далекого красного света он коро-
че, чем в темноте. Таким образом, в определенных случаях действие белого
света представляет собой результат двух антагонистических эффектов.
Ашофф. Я полностью согласен с тем, что свет разной длины волны
по-разному влияет на часовую систему; возможно также, что важнее изу-
чать спектральный состав света, а не его интенсивность. Вместе с тем,
поскольку в своей работе я касался главным образом вопроса об особенно-
стях эндогенных ритмов и синхронизации их внешними датчиками времени,
мне казалось разумным ссылаться в основном на эксперименты, в которых
использовались различные интенсивности белого света. В природных усло-
виях белый свет является главным датчиком времени, и им вполне можно
пользоваться при изучении основного механизма биологических часов.
Клаудсли-Томпсон. Если изменения в длительности фаз,
зависящие от интенсивности освещения, играют адаптивную роль, определяя
время минимума активности в разные сезоны, казалось бы, что часы могут
быть отрегулированы не только в этом отношении, но также и синхронизо-
ваны датчиком времени в течение каждого дня. Из моей работы с наземными
членистоногими следует, что при одних постоянных условиях период спон-
танного ритма равен точно 24 час, тогда как при других он больше или мень-
ше. Почему же тогда Вы говорите, что точно 24-часовой период невероятен?
На ваших графиках (на фиг. 3) кривые имеют наклоны вверх или вниз в
зависимости от освещенности. Конечно, если бы были выбраны правильные
промежуточные значения освещенности, то кривые были бы горизонтальны.
Ашофф. Я никогда не отрицал, что при использовании правильных
постоянных условий спонтанный период может быть равен 24 час.
Энрайт. Д-р Ашофф указывал в своей статье, что он не изучал
всерьез амплитуду ритмов активности; но он все же останавливался на
величине а : Q, выражающей долю периода, в течение которой активность
организма выше некоторого нулевого уровня. Я полагаю, что измерение
а : р дает не больше, чем измерение амплитуды.
При некоторых условиях в моих опытах получались ритмы активности,
похожие на те, которые были зарегистрированы д-ром Ашоффом у зябликов.
Изменяя условия эксперимента (при этом речь идет не об изменении
температуры или интенсивности света, а, скажем, о лишении животных
песчаной подстилки, т. е. о факторе, по-видимому не влияющем на «ско-
рость потока энергии через систему»), удавалось так изменить ритм актив-
ности, чтобы в течение периода активность ни разу не падала до нуля.
Я полагаю, что свет, подстилка или какой-нибудь другой фактор
существенно влияют на амплитуду активности, изменяя нулевой или поро-
говый уровень последней, и что пороговый уровень сдвигается вверх или
вниз под влиянием целого ряда факторов среды, а также в зависимости от
недавнего прошлого состояния организма. Это смещение порога будет,
конечно, изменять и относительные значения а и Q. Если* пороговый уровень
станет достаточно высоким, то амплитуда колебаний активности, а следо-
Экзогенные и эндогенные компоненты циркадных ритмов
59
вательно и а, будет равна нулю. Достаточно большое снижение порога при-
ведет к непрерывной активности, в результате чего q будет равно нулю.
Я коснулся этого вопроса не с тем, чтобы умалить значение аир как
характеристик некоторого определенного ритма, но лишь для того, чтобы
подчеркнуть большое значение измерений амплитуды и указать, что вели-
чины аир представляют собой просто иное выражение амплитуды ритма.
Ашофф. Я согласен, что аир определяют также амплитуду в усло-
виях, когда период ритма постоянен. Вместе с тем, если амплитуда остается
постоянной, отношение а : р зависит от среднего уровня активности. Совер-
шенно очевидно, что определение порогового уровня активности, разделяю-
щего фазу активности от фазы покоя, чисто произвольно. За порог можно
принять как нулевое, так и любое другое значение активности. (Скажем,
за момент начала активности можно принять момент, когда животное, зако-
павшееся на время покоя в песок, появляется на поверхности.) Главная
идея состоит в том, чтобы не сдвинуть порог (что вызвало бы, очевидно,
изменение отношения а : р), т. е. поддерживать его на определенном уровне.
Изменение отношения а : р при постоянной амплитуде должно означать
изменение порогового уровня. В качестве примера можно привести кривую
температуры человеческого тела, где за порог обычно принимают 37°. Если
у больного жар и средний уровень температуры повышен, скажем, на 1° (без
изменений в амплитуде, как обычно бывает), то отношение а : р возрастет.
К а л м у с. Отклонение длины периода при постоянных условиях от
значения, равного точно 24 час, нельзя считать достаточным доказательством
эндогенности ритма. Другим важным критерием является устойчивость
сохранения индуцированной фазы ритма в постоянных условиях.
Ашофф. Устойчивость ритма в постоянных условиях некоторые
авторы (в частности, Ф. Браун) используют как раз для доказательства
экзогенной природы ритма. Заслуживает также внимания теория, допуска-
ющая возможность квазистабильного сдвига фазы ритма под влиянием дат-
чика времени. Я полагаю, что единственным несомненным признаком
эндогенности можно считать отклонение спонтанного периода от 24 час.
Р а у с о н. Имеет ли смысл понятие угловой скорости в опытах по
измерению активности на протяжении суток? Мне кажется, что большая
часть наших данных основана на регистрации лишь одного «события» за
день (например, максимума или минимума активности), но у нас очень мало
ситуаций, когда удается получать представление о ходе собственных часов
организма непрерывно на протяжении суток. Лишь в отдельных случаях,
например при изучении ориентации по солнцу, «часы» изучаются целый день.
До тех пор пока такого рода эксперименты не будут детально проанализиро-
ваны, ничего нельзя сказать о том, полезно ли вообще представление об
угловой скорости при описании циркадных ритмов организма.
Ашофф. Вводя понятие угловой скорости, мы исходили из пред-
ставления об обычной колебательной системе. Первый вопрос заключался
в том, чтобы решить, можно ли связать изменение скорости в системе
с чередованием света и темноты или фазой активности и фазой покоя соот-
ветственно. Второй вопрос касался способов измерения этой скорости;
в работе обсуждалось несколько возможностей.
Солберге р. Я хочу подчеркнуть, что с повышением уровня актив-
ности амплитуда очень часто возрастает; это свидетельствует об увеличении
нагрузки на систему, совершающую колебания. В этом случае только изме-
нение соотношения между амплитудой и уровнем активности указывает на
реальные изменения «угловой скорости». Вероятно, вместо «угловой скоро-
сти» следует говорить «средняя скорость».
В. БРЮС
Влияние периодических внешних воздействий
на частоту и фазу циркадных ритмов
о
ВВЕДЕНИЕ
Термин «циркадный ритм» предложен впервые Халбертом для обо-
значения ритмов, имеющих период около суток. Такие ритмы сохраняют
устойчивость при постоянной температуре в темноте и иногда при постоян-
ном освещении; период ритмического процесса в этих условиях приблизи-
тельно равен 24 час. Лучше, по-видимому, называть его «свободным»,
а не естественным периодом, так как в естественных условиях на величину
периода может влиять целый ряд факторов (см. ниже). Это влияние, хотя
оно и невелико, вполне поддается измерению. Основные ритмические про-
цессы обусловливаются внутренними факторами, т. е. являются эндогенны-
ми и определяются врожденными механизмами. Организм наследует основ-
ную колебательную систему, и эндогенный ритм может быть вызван непе-
риодическими сигналами. На его частоту и фазу могут влиять (см. ниже)
различные экзогенные факторы, в результате чего в этом ритме появляются
экзогенные составляющие (см. статью Ашоффа в настоящем сборнике,
стр. 27).
Мы будем называть это явление затягиванием. Таким образом, затя-
гивание циркадного ритма можно определить следующим образом: неко-
торое периодическое изменение внешних воздействий (освещенности,
температуры или, реже, других факторов) влияет на ритмический процесс
в системе таким образом, что период ритма меняется, а во многих случаях
становится равным периоду затягивающего цикла.
Таким образом, между ритмом организма и затягивающим циклом
устанавливается устойчивая разность фаз. Попросту говоря, можно счи-
тать, что ритм синхронизуется внешним сигналом. В литературе к этим
внешним сигналам применяются термины «датчик времени» (Zeitgeber),
«синхронизатор» и т. д. В нашей предыдущей работе [1] подчеркивалось,
что циркадные ритмы обладают многими особенностями незатухающих
колебаний. Это справедливо даже в тех случаях, когда по той или иной
причине амплитуда ритма уменьшается. Мы указывали, что во многих
случаях потеря ритма обусловлена десинхронизацией ритмов отдельных
организмов в популяции или неблагоприятными физиологическими усло-
виями. Поскольку синхронизация физической автоколебательной системы
внешним сигналом обычно называется затягиванием, этот термин был
применен и к синхронизации циркадных ритмов.
Существует много типов затягивания, но определить их трудно, не
указав специфических черт осциллятора и синхронизующего сигнала.
Влияние периодических внешних воздействий 61
Однако можно отметить некоторые общие качественные особенности затя-
гивания.
Одна из них состоит в том, что обычно перенос энергии между синхро-
низующим воздействием и осциллятором, который подвергается этому воз-
действию, относительно невелик. Эффективность [затягивания зависит
от силы сигнала и типа связи между сигналом и осциллятором. Связь
может быть непосредственной (примером может служить действие перемен-
ного напряжения на электронный колебательный контур) или косвенной
(пример — периодические изменения величины некоторого параметра, ска-
жем сопротивления или емкости контура). Два осциллятора могут вза-
имно влиять друг на друга или это влияние может иметь односторонний
характер; существуют и промежуточные типы связи. При затягивании
частота осциллятора может стать равной частоте сигнала, но может и не
достигать ее. Например, иногда случается, что относительно высокочастотный
(короткие периоды 12, 8, 6... час) цикл свет — темнота может повлиять
на циркадный ритм таким образом, что период ритма станет равным 24 час.
Это называется затягиванием посредством деления частоты.
Для разъяснения всего сказанного выше опишем некоторые конкрет-
ные физические осцилляторы. Разнообразие возможных колебательных
систем, конечно, очень велико. Мы рассмотрим две совершенно различные
системы, чтобы показать некоторые особенности осцилляторов разных
типов.
Простым электронным осциллятором является контур, содержащий
конденсатор, сопротивление и неоновую лампу. В этом осцилляторе проис-
ходят релаксационные колебания. Конденсатор заряжается через сопро-
тивление и, когда напряжение достигает некоторого критического значе-
ния, разряжается через неоновую лампу. В результате напряжение падает,
и когда оно доходит до напряжения запирания, неоновая лампа перестает
проводить ток; после этого цикл зарядки и разрядки повторяется. Автома-
тическая пипетка, которая медленно наполняется и быстро опорожняется
сифоном, — другой пример релаксационного осциллятора подобного типа.
Период такого осциллятора зависит от сопротивления и емкости (или вре-
мени заполнения пипетки). На осциллятор можно действовать непосредст-
венно путем приложения меняющегося напряжения к конденсатору или
косвенно путем периодического изменения величин сопротивления или
емкости конденсатора (параметрическое затягивание).
Ответ осцил ятора на внешнее воздействие будет качественно различен
в зависимости от природы связи между сигналом и осциллятором, относи-
тельной силы такого сигнала и величины основного параметра (например,
напряжения разряда).
Примером физического осциллятора с совершенно другими свойствами
может служить обычный маятник (какой бывает в старинных часах). Такой
маятник будет производить незатухающие колебания при условии подачи
энергии от двигательного механизма. Связь его с синхронизатором может
быть осуществлена различными способами. Например, в каждом крайнем
положении отклонения маятника может находиться электромагнит. Подавая
на электромагниты периодические импульсы, можно задать различную
частоту колебаний. В такой системе электромагниты оказывают влияние
в течение лишь относительно короткого отрезка цикла, когда колебания
маятника приближают его к магниту. В результате затягивания фазовые
соотношения в этом случае становятся в конце концов такими, что момент
отклонения маятника в сторону электромагнита совпадает с импульсами
тока, подаваемого на электромагниты. Это слабая связь, хотя она и непо-
62
В. Брюс
средственная. Если же поместить электромагнит ниже положения покоя
маятника, тогда затягивание будет осуществляться за счет того, что
(не принимая во внимание усложнений, связанных с неоднородностью элек-
тромагнитного поля) периодически изменяющаяся напряженность эле-
ктромагнитного поля будет либо складываться с силой тяжести, либо
вычитаться из нее. Поскольку сила тяжести есть один из параметров, опре-
деляющих период свободного колебания маятника, этот тип затягивания
является параметрическим.
Другие особенности колебательных систем лучше проиллюстрировать
на примере иных осцилляторов. Например, особенность релаксационного
осциллятора с неоновой лампой состоит в том, что критическое состояние
достигается в нем медленно, а разрядка системы происходит быстро («пило-
образные» импульсы на выходе). Некоторые релаксационные осцилляторы
обладают двумя критическими состояниями и генерируют прямоугольные
импульсы. В последнем случае каждый полный цикл можно подразделить
на две части, тогда как для первого это невозможно. Физические осцилля-
торные системы изготовляются для очень разнообразных целей, и естест-
венно, что их характеристики (стабильность шер иода, эффективность затя-
гивания, способность к делению частоты и пр.) могут быть самыми раз-
личными.
По виду характеристики можно судить об общих свойствах осциллятора
(например, установить, относится ли осциллятор к релаксационному типу,
какова связь осциллятора с источником и др.).
Что можно установить при изучении основных особенностей затягива-
ния? Мы полагаем, что изучение явления затягивания может дать пред-
ставление о деталях устройства основной колебательной системы организма.
Конечно, информацию о системе можно получить, изучая влияние не толь-
ко периодических, но и непериодических внешних сигналов. Таким обра-
зом, хотя основное внимание в этой статье уделено явлению затягивания,
мы считаем необходимым изучать также переходные характеристики, опи-
сывающие реакцию системы на непериодические сигналы, а также усло-
вия, при которых в первоначально непериодических системах возникают
ритмы.
В результате анализа затягивания каких-либо физических колебаний
(скажем, колебаний электронного контура) внешним периодическим сигна-
лом (напряжением) часто удается дать строгое математическое и физическое
описание системы, а иногда и рассчитать некоторые ее характеристики,
например фазовые соотношения и пределы затягивания (см. ниже). В случае
циркадных ритмов на возможность такого полного анализа надеяться труд-
но. Дело обстоит скорей противоположным образом: по характеристикам
колебательной системы желательно составить представление о ее природе.
Другими словами, необходимо выяснить, могут ли фазовые и частотные
соотношения между ритмами организма и затягивающими циклами, а так-
же пределы затягивания и переходные характеристики дать представле-
ние о типе системы, определяющей основной колебательный механизм?
Можно было бы сказать, что изучение ответа на различные внешние сиг-
налы приведет, конечно, к более детальному описанию формального пове-
дения системы и, таким образом, позволит делать некоторые предска-
зания относительно ответа. Однако это лишь часть того, что желательно^
достигнуть в результате подобного исследования. В действительности
мы хотим прийти к более глубокому пониманию системы. Другими слова-
ми, мы ищем по крайней мере частичный ответ на вопрос о том, как устроен
осциллятор и почему именно так, а не иначе.
Влияние периодических внешних воздействий
63
ОСНОВНЫЕ ОСОБЕННОСТИ ЦИРКАДНЫХ РИТМОВ
При изучении механизма затягивания циркадных ритмов световыми
и температурными циклами нужно знать основные особенности этих рит-
мов. Ниже мы рассмотрим действие света и темноты на период собственных
колебаний и действие световых и температурных циклов, а также неперио-
дических экзогенных воздействий на ритмические процессы. Основное
внимание в этой статье будет уделено сравнительному подходу.
ПЕРИОД СВОБОДНЫХ'КОЛЕБАНИЙ
В УСЛОВИЯХ НЕПРЕРЫВНОГО ОСВЕЩЕНИЯ ИЛИ ПОСТОЯННОЙ ТЕМНОТЫ
При постоянстве освещенности и температуры и в отсутствие других
экзогенных синхронизаторов можно говорить о периоде свободных коле-
баний системы. Относительно периода свободных циркадных ритмов был
установлен ряд общих правил.
Период свободных колебаний близок к 24 час. Обычно он не менее
20 и не более 28 час [4, 5]. У морских водорослей Oedogonium [6] и летучих
мышей Myotis [7, 8] ритмы имеют особенно короткий период; обычно он
составляет около 20 час, но иногда превосходит и 24 час. Период ритма
у Phaseolus [9] в некоторых условиях равен 28 час, но может быть и короче.
Величина периода свободных колебаний мало зависит от температуры,
при которой производятся измерения. Обычно (но не всегда) период умень-
шается с повышением температуры. Коэффициент Q10 (отношение длитель-
ности периода при данной температуре к длительности его при температуре
на 10° выше) колеблется от 0,8 до 1,3; обычно Qlo>l,O. Питтендрай [10],
Бюннинг [11] и другие авторы изучали действие температуры на длину
периода. У Oedogonium [121 и водоросли Gonyaulax [13] Q10 < 1,0. Подоб-
ный же результат Бюннинг [11] получил для таракана Periplaneta. Робертс
[14], проводя исследования в других условиях, нашел, что для таракана
Leucophaea Q10> 1,0. Следует учесть, что на результаты измерений темпе-
ратурных коэффициентов во многих случаях повлияли, вероятно, условия
эксперимента (см. ниже).
Длина периода свободных колебаний в условиях постоянной темноты
и постоянной освещенности различна; в некоторых случаях заметное влия-
ние на длину периода имеет интенсивность света.
У ночных животных длина периода, измеренная в условиях постоян-
ной освещенности, обычно выше, чем в темноте, тогда как для дневных
животных наблюдается обратная картина. Период зависит от интенсивности
света (у позвоночных [5]), а иногда (у некоторых растений [15]) — от интен-
сивности света и длины волны. Во всех случаях изменения периода неве-
лики (5—10%). Часто наблюдается, что ритм устойчив только в темноте.
В условиях непрерывного освещения ритмы у растений часто пропадают;
как показали Гастингс и Суини [16], это присходит лишь при ярком осве-
щении, тогда как при слабом освещении ритм сохраняется. У водорослей,
изученных этими авторами, длина периода зависела от интенсивности све-
та. Другие примеры ритмов у растений, которые продолжаются и в усло-
виях непрерывного освещения, приведены в табл. 2. Длина волны также
может играть решающую роль в затухании ритмов; у грибов Pilobolus
[17] и Neurospora [18] ритмы затухают при белом свете и устойчивы при
слабом красном.
Многие авторы [7, 14, 19—22] отмечали спонтанные изменения в пе-
риоде циркадного ритма у отдельных животных. Кроме того, небольшие
64
В. Брюс
изменения в периоде могут быть вызваны случайными нарушениями условий
освещения и температуры. Этот эффект, отмеченный Бурхардом [22] для
хомяка, наблюдается и у других позвоночных и насекомых [24].
РЕАКЦИЯ КОЛЕБАТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ НА ЦИКЛЫ СВЕТ — ТЕМНОТА
В большинстве исследований, посвященных затягиванию циркадных
ритмов периодическими циклами свет — темнота, цикл состоял из чередо-
вания света (постоянной интенсивности) и темноты. Общий период
цикла равен сумме этих периодов; важным параметром является также
отношение длин светового и темнового периодов (С : Т). Иногда исполь-
зовались другие периодические световые циклы, но в данной статье обсуж-
даются в основном циклы подобного типа. (Обычно их обозначают СТ х : у,
где х — число часов на свету, а у — в темноте. Условия длительного пре-
бывания на свету (постоянной интенсивности) и в темноте обозначают СС
и ТТ соответственно.) Влияние интенсивности света и его спектрального
состава изучено мало, но, по-видимому, для большинства организмов
эти факторы имеют меньшее значение, чем длина периода и величина
С : Т.
Циркадный ритм можно охарактеризовать фазой и способностью
к затягиванию под влиянием внешних периодических воздействий. Ампли-
туда ритма часто подвержена действию физиологических факторов, не влия-
ющих на период и фазу ритма, и, следовательно, ее изучение не представ-
ляет существенного интереса для задач нашего исследования.
В табл. 1 приведен ряд данных, полученных различными авторами,
изучавшими затягивание циркадных ритмов циклами свет — темнота.
В этой таблице не нашли отражения многочисленные исследования, посвя-
щенные затягиванию ритмов под влиянием природных условий. Велико-
колепный обзор этих работ опубликован де Курси [19]. В природных усло-
виях, при нормальном отношении С : Т, часто наблюдается хорошее соот-
ветствие между фазой ритма и началом дня (для дневных видов) или концом
дня (для ночных видов), хотя в некоторых случаях существует неко-
торая корреляция с интенсивностью света. В искусственных циклах чере-
дования света и темноты с периодом 24 час зависимость фазы ритма от отно-
шения С : Т была исследована для довольно большого числа организмов.
Фаза может коррелировать с началом дня (как это имеет место, например,
у грибов Pilobolus [56], растения Kalanchoe [48] и мышей Mas [36]) или
с концом дня (у водоросли Euglena (фиг. 1), растения Canavalia [45] и у тара-
канов разных видов [24]). Такие корреляции никогда не бывают совершен-
ными и часто нарушаются, когда световой или темновой периоды малы.
При изучении установившихся ритмов у небольших животных (мышей,
белок, хомяков) обнаружено существование индивидуальных различий
[19, 34]. Раусон [34] и де Курси [19] указывали на важное качественное
различие характера сдвигов фазы в ритмах у грызунов при действии светом
в начале или в конце субъективной ночи, а также на малую эффективность
света при действии его в течение субъективного дня.
Фиг. 2 иллюстрирует это явление. Однако не следует делать заключе-
ние, что установившиеся фазовые отношения ритмов активности у млеко-
питающих могут быть изменены лишь постепенно. Например, как показы-
вает фиг. 3, однократное 12-часовое освещение может сдвинуть ритм актив-
ности хомяка на 10 час за несколько дней, тогда как резкое изменение фазы
цикла СТ 12 : 12 на 12 час не может сдвинуть фазу ритма и за несколько
недель. Эти два, очевидно, противоположных результата весьма интересны;
Таблица 1
Затягивание циркадных ритмов световыми и температурными циклами *
Организм Продолжительность циклов Наблюдения
Человек 18, 21 и 28 час Клейтман [25, 26] изучал ритмы температуры тела и частоты сердечных сокращений. У одного испытуемого за 18-часовым циклом следовал только ритм сердца. Затягивание ритма 21- и 28-часовыми циклами было успешным у одного и безуспешным — у другого
Человек 22 час 1 Льюис и Лоббан [27, 28] наблюдали за физиоло- гическим состоянием 8 испытуемых, живших при 22-часовом дне (на Шпицбергене). У одного из них произошло затягивание ритма 22-часовым циклом, у семи оказался устойчивым 24-часовой ритм
Человек 24 час | По этому вопросу существует обширная литера- тура. Наиболее интересные для нас здесь вопросы — фазовые соотношения между различными ритмами — рассмотрены Халбергом [29]
Крысы 12 и 16 час, ' Брауман [30, 31] обнаружил у 30 из 32 крыс два
25 и 27° — на пика активности на протяжении 24-часовых интер-
свету и 15 или валов при 12-часовом дне. Активность животных
16° — в темно- оценивали по скорости вращения колеса (регистра-
те ция каждые 8 час)’, интерпретировать результаты не очень легко
Мыши 19—29 час Трибукайт [32, 33] наблюдал затягивание ритма
(СТ 1 : 1) активности мышей 24-часовым циклом и затем посте- пенно увеличивал или уменьшал длину цикла до тех пор, пока затягивание не прекращалось. Это проис- ходило, когда цикл становился короче 21 час и длин- нее 27 или 28 час. Затягивание циклами 16, 20, 22 и 28 час не удавалось, если переход к таким циклам был резким
Мыши 24 час Халберг [29] изучал фазовые соотношения раз- личных ритмов у мышей при разных световых режимах
Мыши {Рего- 24 час Раусон [34] сообщил, что у млекопитающих
myscus) действие света на фазу ритма существенно зависит от субъективной фазы
Летяга (Glau- 24 час Де Курси [19, 35] изучала активность летяг при
comys vo- lans) естественном и при искусственном освещении. В естественных условиях максимум активности наступал сразу же после захода солнца. Время наступления максимума зависело от интенсивности света, но не от температуры или влажности среды. Наблюдаемую синхронизацию де Курси объясняла тем, что в суточном ритме чувствительности к свету сдвиги фазы происходят в противоположных направ- лениях в зависимости от того, на какой отрезок субъективной ночи — начало или конец — при- ходится действие света
* Здесь циклы с одинаковой длительностью светового и темнового периодов обозначены СТ1:1.
5 Биологические часы
Продолжение табл.
Организм Продолжительность циклов Наблюдения
Хомяки и мы- 23—25 час, а так- Результаты опытов подробно изложены в настоя-
ши {Рего- же короткие щей статье (см. фиг. 2, 4, 7, 9). Пределы затягивания
myscus) циклы от 2 до оказались еще уже, чем у Mas [32, 33]. Данных
12 час, 24-ча- о затягивании ритма хомяков температурными
совой темпера- циклами почти нет. О сдвиге фазы ритма у хомяков
турный цикл при различных условиях осве- щения; 24-ча- совой световой цикл с различ- ными отноше- ниями С : Т см. текст
Мышь Mas 24 час с различ- Ашофф и Мейер-Ломан [36], используя в своих
ными отноше- опытах световые циклы со световым периодом от 6
ниями С : Т до 20 час, показали, что фаза главной эндогенной компоненты ритма активности определяется в основ- ном переходом темнота — свет
Ящерица 12, 22 и 26 час, По данным Лисса и Френкеля [37], у одних осо-
Sceloperus а также 24-ча- бей 22- и 26-часовой цикл затягивает ритм, у дру-
совой темпера- гих — нет; под влиянием 12-часового цикла проис-
турный цикл ходит деление частоты, в результате которого период становится равным 24 час. 24-часовой температур- ный цикл быстро затягивает ритм активности
Рак Uca 12, 24 и 32 час 32-часовой цикл (СТ 1:1) [38], так же как и 24-часовой цикл с световым периодом 1 час, не за- тягивает ритма. Ряд данных говорит о наличии деления частоты при 12-часовом цикле [39]
Равноногий 18 час (световой По данным Клейтмана [40], изучавшего ритм
рак период пигментации, затягивания не происходит
Ligia 10 час)
Drosophila 13,8—34,9 час При одном и том же периоде, но разных значе-
при двух раз- ниях С : Т результаты различны (см. фиг. 5).
ных отношени- ях С : Т Подробности см. в тексте
24-часовой темпе- На фиг. 6 представлены результаты опыта с тем-
ратурный цикл пературным циклом в условиях постоянного осве-
при разных щения и постоянной темноты. Результаты опытов
условиях осве- по совместному влиянию светового и температур-
щения ного циклов описал Питтендрай [4]
24-часовой свето- Предварительные данные [2] указывали на
i вой цикл с то, что фаза ритма определяется главным образом
! различными переходом темнота — свет. Недавние эксперименты
отношениями [23] показали, что это соответствие фазы ритма
С : Т с началом светового периода не столь строго, как предполагалось первоначально
Продолжение табл. 1
Организм Продолжительность циклов Наблюдения
Тараканы 24 час с различ- Изучение действия циклов с периодом 24 час и
Leucophaea ними отноше- длиной светового периода 1, 12, 18 и 23 час показа-
и Byrsotria ниями С : Т 24-часовой свето- вой и темпера- турный циклы 2, 4, 8, 22 и 26 час ло, что фазу ритма определяет в основном переход свет — темнота. 8-минутные световые периоды каж- дые 24 час не вызывали затягивания ритма [24] При наличии одновременно светового и темпе- ратурного циклов с различными фазовыми соотно- шениями получены результаты, аналогичные ре- зультатам для Drosophila [24] В отдельных случаях показано затягивание 22- и 26-часовыми циклами. Наблюдалось деление частоты при 4- и 8-часовых циклах (см. фиг. 9), но не при 2-часовом цикле [24]
Pseudosmittia 12—72 час (СТ 1 : 1) Реммерт [41], изучавший роение’у этой мошки, нашел, что при 12-часовом цикле возникает либо 12-часовой, либо 24-часовой ритмы. 18, 24, 28-часо- вые циклы затягивали ритм, 42, 48, 54, 72-часовые циклы оказались неэффективными
Albizia, Flemin- 4—48 час Пфеффер [42, 43] изучал движения у этих рас-
gia и Pha- seolus vitel- linus (СТ 1 : 1) тений и нашел некоторые различия в затягивании их ритмов. У Albizia ритм затягивается 4, 6, 12, 24, 48-часовыми циклами. Ритм Flemingia имеет 24-ча- совой период при 12-часовом цикле. Phaseolus лишь в слабой степени затягивается 4- и 12-часовы- ми циклами, но хорошо затягивается 36-часовым циклом
Calendula ar- 4, 8, 12, 18 и По данным Штёппеля [44], ритм этих расте-
vensis 36 час (СТ 1 : 1) ний затягивается 12, 18, 24, и 36-часовыми циклами. При более коротких циклах период ритма равен при- мерно 24 час, однако четких данных о делении частоты нет
Canavalia ensi- 6—36 час, а так- Клейнхонте [45—47] тщательно изучила ник-
for mis же 24 час с различными отношениями С : Т 1 тинастические движения у этих растений. При 6- часовом цикле период ритма лишь приблизительно равен 24 час, но при 12-часовом цикле, по-види- мому, происходит деление частоты. Циклы с пери- одом 22, 23, 24, 25, 26, 28, 32 и 36 час (СТ 1 : 1) затягивают ритм. При 24-часовом цикле со свето- вым периодом 5 мин, 1, 2, 8 и 17 час фаза ритма хорошо коррелирует с началом светового периода. Если световой период равен 18 и 19 час, эта корреляция нарушается. По-видимому, даже такой 24-часовой цикл, в котором световой период про- должается всего 1 мин, затягивает ритм. Фаза ритма при циклах, период которых отличен от 24 час, так же как и у Drosophila, зависит от длины периода
Продолжение табл. 1
Организм Продолжительность циклов Наблюдения
Kalanchoe bloss- 4—24 час Бюнзов [48] изучал затягивание ритма раскры-
feldiana (СТ 1 : 1) 24-часовой цикл с различными отношениями С : Т вания цветков этих растений циклами с периодами 12, 16, 20, 24 час. Похоже, что при 8-часовом цикле наблюдается деление частоты, но при 4-часовом цикле период ритма только приблизительно равен 24 час. Фаза в разных циклах очень различна, напри- мер, при цикле СТ 6 : 6 происходит обращение фазы. Влияние относительной продолжительности светового и темнового периодов в циклах с пери- одом, не равным 24 час, становится ясным хотя бы из того, что цикл СТ 12 : 6 хорошо затягивает ритм, тогда как цикл СТ 6:12 — очень слабо При 24-часовом цикле со световыми периодами 4, 6, 8, 10, 12, 14, 16, 18 и 20 час наблюдается раз- ность фаз всего 4 час, если считать, что фаза корре- лирует с началом светового периода
Phaseolus mul- 14—33-часовой Флюгель [49] изучал затягивание ритма дви-
tiflorus цикл с различ- ными отноше- ниями С : Т 22 час (свет раз- ной длины волны) 6 и 12 час при 10° жения листьев этого растения 18, 20, 22 и 24-часо- выми циклами (СТ 1 : 1). При циклах в 14 и 16 час наблюдается деление частоты и период ритма стано- вится равным 28 и 32 час соответственно. Однако при 12-часовом цикле не наблюдается деления частоты [50]. Значение относительной продолжи- тельности светового и темнового периодов следует из того, что ритм может быть затянут 33-часовым циклом, состоящим из 9 час света и 24 час темноты [49] Лорхер [15] и Бюннинг и Лорхер [51], исполь- зуя цикл СТ 10:12, нашли, что белый и красный свет вызывает затягивание ритма, а зеленый, синий и далекий красный — нет При низкой температуре эти короткие циклы затягивают ритм Phaseolus [52]
Черенки лимона 8 час (СТ 1 : 1) Биале [53] изучал ритм дыхания у черенков лимона. Автор предполагает, что при 8-часовом цикле существует деление частоты, в результате которого период становится равным 24 час-, это заключение основано на том, что при сдвиге фазы 8-часового цикла фаза ритма также сдвигалась
Другие расте- ния Различные циклы Затягивание эндогенных ритмов у других рас- тений световыми циклами с периодами, не равными 24 час, световыми циклами с различными отноше- ниями свет — темнота и температурными циклами обсуждается у Бюннинга [54]
Продолжение табл. 1
Организм Продолжительность циклов Наблюдения
Другие экспе- Различные циклы В литературе описано также много других экс-
рименты с периментов, которые, хотя и не указывают прямо
растениями на наличие затягивания, косвенно свидетельствуют об этом явлении. К ним относятся многие опыты с использованием циклов различной продолжитель- ности, а также опыты, показывающие, что периоди- ческое изменение освещенности и (или) темпера- туры влияет на развитие растений и протекающие в них физиологические процессы
Daldinia con- 12 час (СТ 1 : 1) По данным Инголда и Кокса [55], изучавших
centrica ритм спорообразования, требуется несколько цик- лов, чтобы произошло затягивание 24-часового ритма 12-часовым циклом. Если после 12-часового цикла наступает постоянная темнота, ритм вновь приобретает циркадный характер
Pilobolus 24 час с различ- Юбельмессер [56] показал, что при длине свето-
sphaerospo- ными отноше- вого периода 1,4, 9, 12 и 18 час разность фаз состав-
rus ниями С : Т ляет лишь 4,5 час, если фаза коррелирует с началом светового периода. При длине светового периода 21 час или более ритм нарушается. Световой цикл, состоящий из коротких вспышек света (1/200 сек) каждые 24 час, затягивает ритм
4—36 час Ритм затягивается 8, 12, 16, 20, 24, 32 и 36-ча-
(СТ 1 : 1) совыми циклами, но не 4-часовым. Если после воз- действия циклов с короткими периодами поместить растения в постоянную темноту, то некоторое время удерживается ритм с коротким периодом и лишь затем устанавливается циркадный ритм. В двух экспериментах с 29-часовым циклом (СТ 2 : 27 и СТ 17 : 12) наблюдалось затягивание ритма, при- чем фаза ритма не коррелировала ни с началом, ни с концом светового периода
Температурные 24-часовой цикл с амплитудой 1° не затягивает
циклы ритма, а с амплитудой 5° затягивает. Изменение температуры на 10° в течение 1 час каждые 12 час затягивает ритм. Если после последнего цикла Pilobolus поместить в условия постоянной темноту и постоянной температуры, то прежде чем ритм вернется к циркадной периодичности, наблюдается два пика спорообразования с 12-часовым интервалом
Oedogoniutn 12—48-часовые Бюнеман [6] показал, что ритм спорообразова-
cardiacum световые цик- ния этой водоросли может быть затянут 18- и 24-часо-
лы, а также выми циклами, но не 12-, 30- и 48-часовыми цикла-
температурные ми. Температурный цикл с амплитудой 2,5° также
циклы затягивает ритм при длине периода 18 и 24 час, но не 12 и 30 час
70
В. Брюс
Продолжение табл. 1
Организм Продолжительность циклов Наблюдения
Euglena graci- 6—48 час Изучение ритма фототаксиса Euglena и обсуж-
Its дение явления затягивания в этом случае осложнено тем, что для наблюдения самого явления фототак- сиса необходим свет [57]. Неопубликованные данные говорят о том, что циклы с отношением С : Т,равным 1, при вариации периода от 6 до 48 час могут затягивать ритм. Если использовать циклы с коротким световым и длинным темновым периода- ми (например, СТ 2 : 10), то можно наблюдать деление частоты, в результате которого период ритма становится равным 24 час
24-часовой цикл с различными отношениями С : Т См. фиг. 1 в настоящей статье
24-часовой свето- вой цикл с одновременным температурным циклом См. фиг. 8 в настоящей статье
Gonyaulax po- 12 час (СТ 1 : 1) Гастингс и Суини [58] показали, что ритм био-
lyedra люминесценции этих микроорганизмов затягивается циклами с периодами 24 час (при слабом свете) или 12 час (при ярком свете)
Chlorella pyre- 16—36 час с раз- Лоренцен [59, 60] и Пирсон и Лоренцен [61]
noidosa ными отноше- синхронизовали деление клеток этой водоросли
ниями С : Т посредством световых циклов с разными периодами и отношениями С : Т. Хотя способность к синхро- низации зависит от разных факторов, полученные данные говорят о том, что большинство делений происходит через 24 час после начала светового периода
они показывают, что фазу ритма можно сильно сдвинуть единичным сигна-
лом и что в результате затягивания может установиться нестабильная фаза.
Иногда циркадные ритмы затягиваются циклами, состоящими из очень
слабых или очень коротких световых сигналов, повторяющихся с интерва-
лами 24 час [45, 56]. Эффективность затягивания такими слабыми и корот-
кими сигналами, по-видимому, зависит от адаптированности организма к
темноте, а также от длины волны. В некоторых работах была сделана попыт-
ка определить относительную эффективность затягивания светом различных
длин волн [15, 62], но из этих экспериментов нельзя вывести никаких общих
заключений. Амплитуда ритма сильно зависит от интенсивности света,
но достаточных данных, подтверждающих влияние интенсивности света
на фазу ритма, пока нет.
Влияние периодических внешних воздействий
71
Отметим еще, что 24-часовой цикл свет—темнота затягивает циркадный
ритм, не меняя существенно его характер, если длина темнового периода
достигает некоторой минимальной величины. Из табл. 1 видно, что этот
минимум варьирует от 3 до 8 час, хотя в одном случае ритм затягивался
циклом свет — темнота с длительностью темнового периода всего 1 час
и светового — 23 час [24]. Обычно минимальная длина светового периода,
требуемая для затягивания ритма, гораздо меньше, чем минимальная вели-
чина темнового периода.
Время после наступления
сумерек
Фиг. 1. Затягивание ритма реакции фототаксиса у Euglena 24-ча-
совым циклом свет — темнота с различным отношением С : Т.
Фототаксис Euglena определяется при помощи автоматической установки,
описанной в другой нашей работе [57]. Реакция фототаксиса в ответ на свето-
вой сигнал, подаваемый каждые 2 час, регистрируется фотоэлементом и за-
писывается самописцем. Кроме того, специальная лампа создает 24-часовые
циклы свет — темнота с различными отношениями С : Т (от полной темноты
до непрерывного освещения). Euglena обычно проявляет чувствительность
к свету в дневное время и значительно меньше (или совсем не проявляет)
ночью. Наиболее достоверную характеристику фазы ритма дают поэтому на-
блюдения за началом активности. Так как измерения проводились только
с интервалом 2 час, фаза не могла быть определена точно и результаты следует
рассматривать как приблизительные. Но они свидетельствуют все же о том,
что в широком диапазоне изменений величины С : Т фаза зависит в основном
от перехода свет — темнота. Если световой период больше 20 час, ритм зату-
хает. Результаты для непрерывной темноты получены в первый день темноты
после цикла СТ 12 : 12.
Другой переменной в процессе затягивания циклами свет — темнота
служит период затягивающего цикла. Практически все ритмы могут затяги-
ваться не только 24-часовым циклом, но и циклами, период которых отли-
чается от 24 час. Однако для каждого организма существуют определенные
пределы отклонения периода затягивающего цикла от 24 час, внутри кото-
рых затягивание не нарушается (пределы затягивания). Существует
общее правило: чем сложнее организм, тем труднее подвергается его ритм
затягиванию циклом, период которого значительно отличается от 24 час.
Работы Клейтмана и Клейтмана [26] и Льюиса и Лоббан [27] указывают
на то, что человеческий организм трудно поддается воздействию искус-
ственного цикла короче или длиннее 24 час. Удачные эксперименты такого
рода на млекопитающих провел Трибукайт [32]. Изучая ритмы общей актив-
ности белых мышей, он обнаружил, что циклы с длиной периода менее
21 час и более 27 час не затягивают ритм; по мере приближения периода
этих циклов к указанным пределам они становятся эффективными. Как
следует из опытов, выполненных в нашей лаборатории (фиг. 4), ритм актив-
ности хомяков также может затягиваться лишь циклами, период которых
близок к 24 час.
•m
(№'3l)
crises l
Biiiiw
ar
Фиг. 2. Затягивание ритмов активности у хомяков и мыши (поданным Бредли
и Пауминга).
Активность определяли по скорости вращения колеса в течение ряда дней. Записи выполнены на
24-часовой шкале (каждая строка соответствует одному дню). Здесь так же, как и на фиг. 3 и 4,
видны некоторые сложности, с которыми приходится встречаться при изучении сдвигов фазы этих
ритмов при затягивании. А, Б, В — записи опытов, в которых два хомяка выдерживались при свето-
вом цикле СТ 6 : 18. В первом примере (А) хомяк был переведен из условий постоянной темноты в
условия описанного выше цикла на 4-й день. Наблюдается небольшой мгновенный эффект, но из
этой записи, так же как и из следующей (Б), следует, что световой цикл, по-видимому, не за-
тягивает ритма; создается даже впечатление (хотя имеются противоположные свидетельства), что
животные спят в течение светового периода и ведут себя так, как будто они находятся в постоянной
темноте. Фиг. 2, В показывает, что 24-часовой цикл (6 час света, 18 час темноты) может затягивать
ритм и что начало активности совпадает с началом темнового периода. (В один день, отмеченный
звездочкой, световой период длился 10 час вместо 6.) При световом цикле СТ 18 : 6 (Г) активность
относилась почти целиком к темновому периоду. Эти результаты как будто указывают на то, что
фаза ритма двигательной активности определяется переходом свет — темнота, но такой вывод,
пожалуй, был бы чрезмерным упрощением. Д — аналогичная запись для оленьей мыши Peromyscus.
Она приведена для того, чтобы показать, что по крайней мере для некоторых особей и при некото-
рых условиях фазу ритма активности контролирует начало светового периода. (В дни, отмеченные
звездочкой, запись была неисправной из-за поломки пера.)
Влияние периодических внешних воздействий
73
В табл. 1 приведены ссылки на другие работы, в которых изучалось
воздействие циклов с периодами, отличными от 24 час. Как видно из таб-
лицы, сформулированное выше общее правило имеет исключения.
Другой важный параметр, влияющий на результаты затягивания, —
отношение светового и темнового периодов (С : Т). Фиг. 5 показывает,
что при одном и том же периоде затягивающего цикла, но разной величине
С : Т характер ритма различен.
Время суток
Фиг 3. Затягивание ритма активности у хомяков (по данным
Бэрчарда и Менакера).
Активность определяли в клетке с вращающимся колесом. Точками отмечено
начало активности, в остальном тот же способ представления данных, что и на
фиг. 2. Животные № 122 и 141 до начала опыта находились в условиях цикла
СТ 12: 12 (свет с 9 до 21 час). Перед «нулевым» днем (первый отмеченный
день) животные были помещены в условия обращенного светового цикла
(свет с 21 до 9 час), так что графики показывают скорость, с которой ритм
активности смещался по фазе на 12 час при обращении цикла свет — темнота
Хомяку № 122 потребовалось примерно 3 недели для завершения этого фа-
зового сдвига. Этот результат является наиболее типичным для хомяков, хотя
хомяку № 141 потребовалось 5 недель. Это относительно небольшая скорость
установления фазы в условиях светового цикла резко отличается от резуль-
татов, полученных на хомяке № 18. Это животное находилось в темноте в те-
чение первых 13 дней опыта, после чего подверглось освещению в течение
12 час (от 4 до 16 час); фаза ритма изменилась при этом почти сразу на 10 час
Хотя и величина сдвига фазы в ответ на единичный световой сигнал, и ско-
рость установления фазы при изменении светового цикла различна у разных
животных, представленные здесь результаты достаточно типичны и позволяют
сформулировать общее правило, которому подчиняется затягивание ритмов
активности у хомяков.
X UfStf
УН8
л
Е
2wac
к-13 >
23час
MHJ9SS
ШК
24 j час
Х159^ 1959
SH8
22 час
X147JI959
ofc
X/48S ,аса
1959
та
25$ час
XI584f95S
25 час
X2UW
Е-5

Фиг 4. Затягивание ритмов активности у хомяков циклами отличными от 24 час
(по данным Холломена).
Активность определяли в клетке с вращающимся колесом. Способ представления результатов
тот же, что и на фиг. 2. Животных содержали в условиях светового цикла с общим перио-
дом от 22 до 25 час и равными световым и темновым периодами. Затемненная часть соответствует
световому периоду. Циклы с периодом 23,5, 24, 24,5 и 25 час затягивают ритм, циклы с периодом
22 и 23 час — нет.
Интересно отметить небольшой сдвиг фазы при затягивании циклом с периодом 23,5 час (В).
Звездочкой отмечены случаи, когда из-за неисправности пера запись не велась. В опытах с хо-
мяком № 27 период светового цикла постепенно укорачивали, начиная с 24 час, сохраняя
отношение С : Т равным 1; при этом затягивание наблюдалось до тех пор, пока период цикла не
уменьшился до 22,5 час. Все опыты, кроме последнего, были проведены на двух животных; резуль-
таты подобных опытов, не приведенные здесь, были аналогичными.
Влияние периодических внешних воздействий
75
Заканчивая обсуждение вопроса о действии циклов свет — темнота
на циркадные ритмы, сравним значение двух факторов — длины периода
и величины С : Т. Действие интенсивности света и его цвета не было широко
исследовано, но, по-видимому, период и величина С : Т — это наиболее
важные характеристики светового цикла. Если период светового цикла
равен 24 час, то изменение величины С : Т в самы& широких пределах
не нарушает затягивания ритма и часто даже мало влияет на фазу ритма
по отношению к переходу свет — темнота или темнота — свет. Вместе
А
О 8 16
32 0 8
Время, час
16 24
32 '
Фиг. 5. Затягивание ритма вылета у Drosophila (по данным Пауминга).
Культуры Drosophila подвергались воздействию световых циклов с различными периодами (от 13,8
до 34,9 час). А — циклы СТ-2 : 1; Б — циклы СТ-1 : 2. Во всех случаях происходит затяги-
вание ритма; точки соответствуют средним значениям максимумов вылета. В нескольких случаях
ритм /бимодальный или даже трехмодальиый; в этих случаях меньшие по величине максимумы
обозначены светлыми кружками. Данные по 24-часовому циклу получены из предыдущих опытов.
Особенно интересны циклы с периодами 28,2 и 29,3 час. Во-первых, данные по этим циклам
свидетельствуют о большом значении относительной продолжительности светового и темнового
периодов, т. е. о том, что выключение и включение света играют существенную роль в механизме
затягивания. Во-вторых, наложение рисунков Друг на друга обнаруживает отчетливый паралле-
лизм в расположении пиков. Существенно отметить, что в случаях А и Б мультимодальный ха-
рактер ритма различен. Например, в случае А ритмы затягиваемые циклами с периодами 16,4,
19,2, 28,2 и 29,3 час — бимодальные, а при цикле с периодом 34,9 час ритм трехмодальный; в слу-
чае Б при 16,4-и 19,2-часовом периоде наблюдается унимодальный цикл, при 28,2- и 29,3-часовых
периодах — трехмодальный и при 34,9-часовом — бимодальный. Возможно, эти результаты можно
интерпретировать таким образом, что в организме Drosophila существует несколько осциллирующих
систем, по-разному реагирующих на свет и темноту и на переходы свет — темнота и обратно.
Однако изложенные результаты еще слишком скудны, чтобы можно было высказать что-либо,
кроме ряда [предположений.
с тем’ небольшое изменение периода светового цикла во многих случаях
сравнительно сильно влияет либо на эффективность затягивания, либо
на общий характер ритма. Например, у большей части млекопитаю-
щих ритмы могут затягиваться только циклами, у которых период
близок к 24 час, тогда как сильное изменение величины С : Т (при 24-
часовом периоде) не нарушает затягивания. Из фиг. 5 можно также видеть,
что не только фаза, но характер (унимодальный, бимодальный, трехмодаль-
ный) ритмов вылета у Drosophila сильно изменяется при относительно
небольших изменениях периода. Другие, неопубликованные эксперименты
говорят о том, что при одной и той же величине С: Т, равной 1, но разной
длине периода (22, 23, 24 и 25 час) установившиеся фазовые соотношения
совершенно различны. Влияние величины С : Т при периоде, отличном
от 24 час, исследовано довольно мало. На фиг. 5 представлены отдельные
результаты экспериментов подобного типа.
76
В. Брюс
ЗАТЯГИВАНИЕ ЦИРКАДНЫХ РИТМОВ ТЕМПЕРАТУРНЫМИ ЦИКЛАМИ
Как показали многочисленные исследования, циркадные ритмы обычно
подвергаются затягиванию 24-часовыми температурными циклами самых
разных типов. Успешно использовались как синусоидальные, так и прямоу-
гольные циклы, обычно с амплитудой в 5° (общий размах).
Фиг. 6. Ритм вылета у Drosophila, затягиваемый температурным
циклом (по данным Пауминга).
Культуру Drosophila pseudoobscura в течение нескольких дней выдерживали
при температурном цикле, приближающемся к синусоидальному (амплитуда
температурных изменений — от 14 до 30° С). Одни культуры находились в
условиях постоянного освещения (пунктир), другие — при постоянной тем-
ноте (сплошная линия). Гистограмма представляет собой результат сложения
нескольких пиков вылета. В случае постоянной темноты было просуммиро-
вано 5 пиков (общее число мух 880), в случае непрерывного освещения —
6 пиков (общее число мух 1720). Время, в течение которого наблюдается вы-
лет, в обоих вариантах опыта примерно одинаково, но форма пиков резко
различается. Эти результаты следует сравнить с результатами опытов, про-
веденных при постоянной температуре. В условиях непрерывного освещения
при постоянной температуре вылет происходит непрерывно на протяжении
суток, хотя ритм еще сохраняется. Вместе с тем при постоянной темноте и
постоянной температуре форма пика существенно не отличается от пика для
культур, находившихся в постоянной темноте в условиях синусоидального
температурного цикла (см.настоящий график).
В табл. 1 были приведены результаты экспериментов такого рода.
На фиг. 6 показано в качестве примера затягивание ритма вылета Droso-
phila 24-часовым температурным циклом. Как видно из графика, ритмы,
наблюдаемые в условиях постоянной темноты и постоянного света, несколь-
ко сдвинуты по фазе. Наиболее же интересный результат этих эксперимен-
тов состоит в том, что при непрерывном освещении во время температурного
цикла вылет происходит лишь на протяжении нескольких часов в течение
суток, тогда как известно, что в условиях непрерывного освещения при
постоянной температуре наблюдается непрерывный ритм вылета дрозо-
филы в течение всего 24-часового интервала, причем характер ритма зна-
чительно отличается от характера его в условиях постоянной темноты.
Затягиванию температурными циклами подвергаются далеко не все цир-
кадные ритмы. На фиг. 7 представлены экспериментальные результаты,
Влияние периодических внешних воздействий
77
показывающие, что «часы» хомяков
24-часового температурного цикла,
термные животные, этот результат
Обобщить результаты опытов
температурными циклами довольно
ритма в условиях температурного
совершенно не подвергаются влиянию
Несмотря на то что хомяки — гомео-
весьма замечателен.
по затягиванию циркадных ритмов
трудно. Сравнивая фазы какого-либо
и светового циклов, можно отметить,
Фиг. 7. Влияние температурного цикла на активность хомяков
(по данным Плумли и Холломена).
Как и на фиг. 3, точками отмечено начало активности хомяков. Активность
определяли в клетке с вращающимся колесом, находившейся в светонепро-
ницаемом помещении, в котором поддерживалась либо постоянная темпера-
тура 25°, либо синусоидальный температурный режим с периодом 24 час и
амплитудой колебаний от 16° С в 4 часа до 30° — в 16 час. Хомяк, находивший-
ся в течение нескольких месяцев при постоянной темноте и при 25° С и
имевший в этих условиях период активности около 24 час 7 мин, был на 10-й
день помещен в условия синусоидального температурного цикла (оставаясь
по-прежнему в постоянной темноте). В тот день, когда животное было переведе-
но в условия температурного цикла, начало двигательной активности опере-
жало на несколько часов наступление минимума температуры. Полученные
результаты не свидетельствуют о затягивании хода «часов», контролирующих
активность хомяков, температурным циклом.
что высокая температура соответствует световому периоду, а низкая
температура — темновому. Экспериментальные данные по затягиванию цир-
кадных ритмов температурными циклами с периодами, отличными от 24 час,
очень немногочисленны, и пока никаких заключений общего характера
сделать нельзя.
ОДНОВРЕМЕННОЕ ВОЗДЕЙСТВИЕ СВЕТОВЫХ И ТЕМПЕРАТУРНЫХ ЦИКЛОВ
Ранее сообщалось о двух экспериментах подобного типа. Изучалась
фаза ритма вылета у Drosophila [2, 4] и ритм активности тараканов [14]
в условиях цикла свет — темнота (СТ 12 : 12) при одновременных колеба-
ниях температуры (примерно синусоидальных). На фиг. 8 представлены
результаты подобного эксперимента с Euglena. Результаты, полученные
на Drosophila и тараканах, сходны (за исключением различий, указанных
в подписи к фиг. 8). По-видимому, особенно интересно, по крайней мере
со сравнительной точки зрения, что во всех трех экспериментах обнаружи-
ваются «скачки фазы». Небольшие изменения в разности фаз между свето-
вым и температурным циклами могут вызвать большие изменения (12 час)
в фазе циркадного ритма.
78
В. Брюс
Фиг. 8. Затягивание ритма фототаксиса Euglena одновременно световым и темпера-
турным циклами.
Система записи та же, {что и на фиг. 1. Световой цикл СТ 12 : 12, температурный цикл примерно
синусоидального характера (минимум температуры 18°, максимум 32°). Опыт был проведен при
12 различных значениях разности фаз t между световым и температурным циклами (/ означает
время (в часах), протекающее между началом светового периода и следующим за ним минимумом
температуры). Р (() — разность фаз между ритмом Euglena и началом светового периода. Р ( 0)
есть величина этой функции при t = 0. Сдвиг фазы ритма равен Р (/) — Р (0) и обозначен через
Ф- Если ф = t, то ритм затягивается температурным циклом, а если ф = 0 или ф = 24, то ритм за-
тягивается световым циклом. Кружки соответствуют результирующему фазовому сдвигу для
данного значения t. Отметим, что при /, равном 6 — 8 час, происходит скачок фазы примерно на
2 час. В аналогичных опытах с Drosophila [4] и тараканами [24] тоже наблюдался скачок фазы
примерно на 12 час, но при t, равном 11 — 13 час.
ДЕЛЕНИЕ ЧАСТОТЫ
Лучше всего это явление можно продемонстрировать в опытах с высшими
животными. На фиг. 9, например, изображены результаты опытов с раз-
личными циклами у хомяка, мыши и таракана. В табл. 1 были приведены
также неопубликованные результаты проведенных в нашей лаборатории
экспериментов, выявляющих аналогичные явления у ящерицы Sceloperus
и одноклеточной водоросли Euglena. Гастингс и Суини [58] обнаружили
подобные явления .также на другом одноклеточном организме — Gony-
aulax. Таким образом, это явление не обязательно связано с многоклеточной
организацией и наличием нервной системы. Действительно, деление час-
тоты обнаружено в многочисленных опытах на растениях (см. табл. 1).
Интересный пример подобного рода представляет собой 24-часовой ритм
дыхания в черенках лимона, индуцированный световым циклом 8 час
(СТ 4:4); фаза этого ритма определяется фазой светового цикла [53].
Подобные же явления наблюдаются и на других растениях, например на
Flemingia [43], Canavalia [45], Phaseolus [49]. В случае Phaseolus есть
указания, что деление частоты чаще происходит под влиянием циклов,
для которых кратным является период длиной не 24 час, а 26 или даже 28 час.
Это предположение хорошо согласуется с тем фактом, что собственный
период у Phaseolus довольно велик. Фиг. 9 показывает, что в результате
деления частоты период может стать равным не только 24, но и 25 час.
Имеется ряд других экспериментальных данных, относящихся к общей
проблеме деления частоты. Вообще, по-видимому, можно сформулировать
следующее общее правило (хотя и с некоторыми оговорками): деление час-
тоты наблюдается значительно чаще в тех случаях, когда организм с тру-
дом поддается влиянию светового цикла. Так, у хомяков, мышей и тараканов,
у которых затягивание ритмов световым циклом не осуществляется столь
быстро, как, скажем, у дрозофилы, деление частоты воспроизводится зна-
чительно легче.
Влияние периодических внешних воздействий 79
В случае ритмов, присущих целой популяции организмов, теорети-
чески возможно, конечно, что кажущееся укорочение периода в результате
затягивания, скажем, до 6 час на самом деле представляет собой результат
деления частоты в отдельных частях популяции, обладающих ритмами
24 час, сдвинутыми по фазе друг относительно друга. Для эксперименталь-
ной проверки этого вопроса популяцию организмов, в которой затягивание
Т28Е /959
Ф и г. 9 Деление частоты при затягивании ритма двигательной активности мыши
Peromyscus (Д), таракана Leocophaea (Б) и хомяка (В) (по данным Брэдли и Робертса).
Метод изображения тот же, что и на фиг. 2 и 4. Во всех случаях затемненная часть соответствует
световому периоду цикла. Результаты явно указывают на то, что у хомяка при затягивании ритма
циклом СТ 2 : 4,25 происходит деление частоты, в результате которого период становится равным
не 24, а 25 час. В случаях, отмеченных звездочкой, происходили непредвиденные нарушения
записи. У хомяков ритм затягивается циклами СТ 1 : 3, но не СТ 1 : 1. у тараканов — циклами
СТ 2 : 2; если таракана, находящегося под воздействием такого цикла, поместить в постоянную
темноту, период ритма становится меньше 24 час.
80
В. Брюс
привело к такому укорочению периода, помещают затем в условия постоянной
темноты и измеряют период установившегося ритма в этих условиях.
Обычно при этом наблюдается восстановление циркадной периодичности.
Но интересно отметить, что, изучая ритм спорообразования у Pilobolus,
Юбельмессер [56] получил несколько иные результаты. Он нашел, что
под влиянием цикла СТ 4 : 4 период этого ритма становится равным 8 час
и что при последующем переводе Pilobolus в условия постоянной темноты
наведенный ритм сохраняется в течение трех периодов и лишь после этого
устанавливается 24-часовой ритм. Подобные же результаты были получены
в опытах с температурным циклом, в котором через каждые 12 час организм
подвергали в течение 1 час воздействию повышенной температуры (при
постоянной темноте), после чего переводили его в условия постоянной тем-
пературы. Каким бы ни было объяснение этих результатов, последние
представляют собой исключение, и обычно циркадная периодичность
в конце концов восстанавливается.
ВЛИЯНИЕ ОДНОКРАТНЫХ ИЗМЕНЕНИЙ СВЕТОВОГО РЕЖИМА
У большинства организмов непрерывное освещение подавляет ритми-
ческие процессы, в одних случаях немедленно, в других — спустя несколь-
ко колебательных циклов. Однократный переход свет — темнота во мно-
гих случаях вызывает ритмический процесс, продолжающийся в темноте
с такой фазой относительно перехода, которая, хотя и варьирует несколько
у различных организмов, обычно совпадает с фазой ритмического процесса,
устанавливаемого циклом СТ 12 : 12. В табл. 2 приведены результаты мно-
гочисленных экспериментов подобного типа. Хотя это явление широко
распространено, оно наблюдается не всегда даже в тех случаях, когда
непрерывное освещение подавляет ритм [69]. Число экспериментов подобного
типа с насекомыми и другими животными пока еще явно недостаточно.
Однако в тех случаях, когда переход свет — темнота вызывает ритм,
фаза ритма явно определяется временем перехода, действующего как
искусственный «конец дня». Эксперименты с изменением светового режима
в противоположном направлении (темнота — свет) проводить значительно
труднее, так как ритм на свету пропадает. В табл. 2 приведены результаты
опытов такого типа, а также опытов, в которых воздействие осуществля-
лось скачкообразным изменением интенсивности освещения. Данных
по этому вопросу еще очень мало, и поэтому нельзя считать доказанным,
что переход темнота — свет действует подобно «началу дня» и что сдвиг
фазы или инициирование ритма могут быть скоррелированы с этим про-
цессом. Но есть ряд дополнительных доказательств справедливости
этого правила, также приведенных в табл. 2 (см. результаты опытов с
кратковременным (на несколько часов) выключением (или включением)
света).
Известно также, что постепенное или резкое повышение температуры
может вызвать или восстановить ритм, а постепенное или резкое пониже-
ние температуры — сдвинуть фазу (см. например, [10, 56]). Еще слишком
мало данных, чтобы формулировать какие-либо общие правила относитель-
но фазовых соотношений в таких процессах. Мы не будем здесь обсуждать
эту проблему, хотя кажется вероятным, что резкие изменения темпера-
туры действуют подобно изменению светового режима, определяя фазу
ритма.
Таблица 2
Влияние скачков освещенности и температуры на фазу циркадных ритмов
Температурный или световой режим Организм Наблюдения Источ- ник данных
Непрерывное осве- щение сменяет- ся постоянной темнотой (СС ТТ) Euglena На свету ритм отсутствует (обычно вооб- ще отсутствует фототаксическая реакция). Переход СС -> ТТ инициирует ритм. Субъ- ективное начало дня наступает через 10 час после этого перехода [63]
Gonyaulax При ярком освещении (>8000 лк) ритм отсутствует. Переход СС -> ТТ вызывает ритм. Субъективное начало дня наступает через 12 час после перехода [64]
Neurospora При освещении белым светом ритма нет. Переход к темноте или тусклому красному свету инициирует ритм. Фазовые отноше- ния подобны предыдущим [17]
Avena Переход от тусклого красного света к пол- ной темноте инициирует ритм. Фазовые соотношения подобны предыдущим [65]
Canavalia Ритм, постепенно утрачиваемый на свету (за 12—13 дней), восстанавливается вновь при переходе СС ->• ТТ. Фазовые соотноше- ния подобны предыдущим [46]
Drosophila На свету наблюдается слабый ритм, но менее четкий, чем в темноте. Переход СС -> -> ТТ вызывает новый ритм. Субъективное начало дня наступает примерно через 12— 13 час после перехода [66]
Хомяки 1 На свету ритм продолжается, но с более длинным периодом, чем в темноте. Если переход СС -> ТТ совпадает с началом активности (субъективное начало дня), сдвига фазы не происходит [67]
Постоянная темно- та сменяется непрерывным освещением Oedogoniutn В условиях постоянной темноты ритм отсутствует. Переход ТТ -> СС вызывает ритм, в котором субъективное начало дня примерно совпадает со временем перехода [6]
(ТТ -> СС) или СС (тусклый) -> -+ СС (яркий) Gonyaulax Переход от постоянного яркого света к постоянному тусклому вызывает ритм, фаза которого, по-видимому, на 10 час за- паздывает по сравнению с фазой при пере- ходе СС -> ТТ. И хотя это переход от яркого света к тусклому, он соответствует, по-ви- димому, скорее началу дня, чем концу [16]
Продолжение табл. 2
Температурный или световой режим Организм Наблюдения Источ- ник данных
Phaseolus Переход TT -> СС (красный свет 600— 700 л!|л) вызывает ритм, тогда как переход ТТ -> СС (красный свет 700—750 жр.) ритма не вызывает [15] i 1
Drosophila Переход ТТ -> СС, по-видимому, вызы- вает ритм; фазовые соотношения примерно такие, как будто переход соответствует на- чалу дня [68]
Хомяки Переход ТТ -> СС вызывает небольшие сдвиги фазы или совсем не вызывает их, если ой происходит вблизи окончания субъ- ективной ночи. Переходы, происходящие во время более позднего отрезка субъектив- ной ночи, вызывают положительные сдвиги фазы (без переходных явлений) [67]
Короткий световой период во вре- мя темноты или освещения тусклым светом или короткий Pilobolus / 1 Очень короткие вспышки света (jgg и сек) вызывают ритм. Если вспышка све- та совпадает с началом дня, фаза ритма близка к фазе ритма в условиях СТ 12 : 12 [56]
темновой пери- од во время непрерывного освещения Gonyaulax Фаза ритма сдвигается коротким темно- вым периодом (6 час) или коротким периодом яркого освещения (6 час, 14 000 лк), преры- вающим период постоянного тусклого осве- щения (1000 лк). Никаких выводов о фазо- вых соотношениях сделать нельзя [16]
Kalanchoe Ритм может быть вызван коротким тем- новым периодом (4—18 час). Фаза возник- шего ритма постоянна относительно сере- дины темнового периода [48]
Phaseolus Эксперименты, подобные описанным вы- ше опытам с Kalanchoe, дали несколько иные результаты: минимальная продолжитель- ность темнового периода, необходимая для инициирования ритма, равна не 4, а 9 час, фаза возникшего ритма хорошо коррелирует с концом темнового периода. Были проведе- ны также опыты, в которых проводили 3—4 затемнения. Обобщая, можно сказать, что два перехода (в соответствующее время) инициируют ритм. Три перехода (СС -> Т -> С -> ТТ) также инициируют ритм, но при у словии, что временные интервалы выбраны пр авильно [69]
Влияние периодических внешних воздействий
83
СДВИГ ФАЗЫ ПОД ВЛИЯНИЕМ ЕДИНИЧНОГО СИГНАЛА
Существует еще одна достаточно общая особенность циркадных рит-
мов, имеющая отношение к общей проблеме механизма затягивания. Фаза
ритма, сохраняющаяся в темноте, может быть сдвинута световым сигналом,
совпадающим по времени с той или иной фазой состояния организма.
Кривые, характеризующие зависимость сдвига фазы от времени нанесения
сигнала, в случаях коротких (не более нескольких минут) и длительных
(несколько часов) сигналов, получены для ряда организмов. Влияние отно-
сительно коротких сигналов изучено особенно хорошо у трех организмов —
плесневого грибка Pilobolus [17], плодовой мушки Drosophila [23] и летяги
Glaucomys [35]. У двух последних организмов (в отличие от Pilobolus)
полученные результаты во многом сходны, что позволяет, учитывая дан-
ные аналогичных экспериментов с более длительными сигналами, выдви-
нуть ряд предположений. Обнаружено, например, что световой сигнал,
подаваемый в конце субъективной ночи, вызывает положительный сдвиг фа-
зы (опережение); световой сигнал, подаваемый в начале субъективной ночи,
вызывает отрицательный сдвиг фазы (запаздывание); световой сигнал,
подаваемый в середине субъективной ночи или в течение субъективного
дня, вызывает лишь небольшие сдвиги фазы или вообще не вызывает их.
Более продолжительные световые сигналы дают несколько иную картину,
но общий характер кривой остается тем же. Эта проблема была достаточно
тщательно исследована лишь на небольшом числе организмов и слишком
сложна, чтобы обсуждать ее здесь сколько-нибудь подробно; но некоторые
качественные характеристики полученных результатов кажутся нам весьма
существенными. Прежде всего, новая фаза устанавливается во многих
случаях не сразу, а через некоторое число периодов, причем число таких
«переходных» периодов обычно больше для опережающей фазы, чем для
отстающей. Это особенно четко видно в опытах на млекопитающих. Кроме
того, предварительные данные, полученные на относительно небольшом
сравнительном материале, показывают, что величина сдвига фазы, вызван-
ного короткими световыми сигналами, в первом приближении не зависит
от интенсивности и продолжительности этого сигнала.
ОБСУЖДЕНИЕ результатов
В намерение автора не входило обсуждение' специальных моделей.
Целью этой работы было главным образом описание тех характерных свойств
затягивания, на основании которых можно строить те или иные модели.
Основной интерес представляют, по-видимому, очевидные изменения внут-
ренних характеристик системы под воздействием различных внешних фак-
торов (свет, температура), а также важные особенности световых или тем-
пературных циклов или изменений, связанные с определением фазы ритма.
Важно подчеркнуть, что частота, скажем, колебательного контура
может зависеть, а может и не зависеть от значения приложенного напряже-
ния, если это напряжение постоянно, несмотря на то что периодически
меняющееся напряжение может затягивать колебания осциллятора. Эти
различия, по крайней мере в некоторых случаях, отражают различия в спо-
собах связи внешнего сигнала с осциллятором. Следует заметить, что в сис-
теме может существовать не один, а несколько типов связи.
Как уже отмечалось, при непрерывном освещении свободный период
ритма (если ритм вообще сохраняется на свету) отличается от периода ритма
84
В. Брюс
в постоянной темноте. На свету период либо удлиняется (многие ночные
животные), либо укорачивается (многие дневные животные). Постоянный
свет меняет также характер ритма: ритмический процесс может мгновенно
прекратиться или постепенно угасать, может также меняться форма ритма.
Устойчивость или неустойчивость ритма на свету зависит от интенсивности
света и длины волны. Характер ритма (амплитуда и общая форма) при непре-
рывном освещении и в постоянной темноте обычно различен и зависит
от интенсивности света, длины волны и температуры. Свободный период
зависит также от температуры, хотя и не очень сильно.
На параметры основной колебательной системы действуют две пере-
менные — свет и температура, которые являются основными экзогенными
факторами, затягивающими циркадный ритм. Параметры, на которые дей-
ствуют эти факторы, могут характеризовать либо взаимодействие несколь-
ких колебательных систем, либо какую-то одну колебательную систему.
Другими словами, различия в периоде ритма в темноте и на свету можно
объяснить двояко: либо связыванием и разъединением двух различных
осцилляторов, периоды которых слегка отличаются друг от друга, либо
укорочением и удлинением периода одного-единственного осциллятора.
В последнем случае удлиняться или укорачиваться может равномерно весь
период либо только некоторая его часть. Подобные же рассуждения при-
менимы и к анализу действия различных температур на период свобод-
ных колебаний.
Было предпринято большое число экспериментов с целью исследовать
влияние различных световых и температурных циклов, переходов свет —
темнота, темнота — свет, изменений температуры и пр. на устойчивые
состояния и переходные процессы ритмов. Эти эксперименты дают возмож-
ность создать ряд конкретных моделей, различных для разных организмов,
но вместе с тем позволяют установить некоторые общие правила, справед-
ливые для организмов самых разных типов. Одно из таких правил, под-
тверждаемое рядом наблюдений, состоит в том, что важным фактором,
определяющим фазу ритма, является переход свет — темнота или темнота —
свет. (Конечно, это не единственный важный фактор, и, кроме того, не сле-
дует забывать, что это правило базируется на результатах, полученных
с филогенетически простыми организмами.) Определяющая роль таких
переходов в установлении фазы была показана многими способами. Наибо-
лее отчетливо это следует из экспериментов, в которых ритм инициируется
переходом от темноты к свету или от света к темноте. Но опыты с затягива-
нием ритма различными световыми циклами тоже подтверждают это пра-
вило. Так, хотя обычно фаза ритма у Euglena коррелирует с концом свето-
вого периода, в принципе можно получить фазовые корреляции (правда,
нестойкие) этого ритма и с началом светового периода. Фиг. 10, на которой
представлены результаты подобного эксперимента, показывает, что ритм
может затягиваться к некоторому неустойчивому стационарному состоя-
нию, в котором фаза коррелирует с началом, а не с концом светового периода
(ср. фиг. 3). Приведенные данные косвенно указывают на то, что у Euglena,
так же как и у других организмов, на фазу влияют и начало и конец свето-
вого периода. Подчеркивая важность таких переходов, мы не хотели бы,
чтобы нас неверно поняли. Хотя мы здесь применили слово «переход», говоря
о переходах от света к темноте и обратно, по сути дела речь идет о том, что
существенное значение имеет изменение условий. Например, короткую
вспышку света, длительностью 1 сек, или даже несколько минут, не
следует рассматривать как два перехода, а скорее как один и, возмож-
но, даже как «часть» одного. Вопрос о том, чем определяется «пере-
Влияние периодических внешних воздействий
85
ход», зависит от деталей строения системы, реагирующей на изменение
условий.
Второе общее правило, касающееся влияния световых циклов или
изменения светового режима на фазу ритма, состоит в том, что воздействие
Фиг. 10. Затягивание ритма фототаксиса Euglena к неустойчи-
вому стационарному состоянию.
Световой сигнал давали на 25 мин каждые 2 час (см. подпись к фиг. 1).
Длины кривых служат относительной мерой интенсивности реакции фото-
таксиса. Дополнительный свет (дневной лампы) включали каждый день после
измерительного светового сигнала, отмеченного стрелкой вверх, и выклю-
чали сразу после измерительного сигнала, отмеченного стрелкой вниз.
В течение нескольких дней ритм фототаксиса имел вид, изображенный на
верхнем графике (1-й день). Фаза этого ритма была такова, что короткий све-
товой период приходился на конец субъективного дня (см. текст и фиг. 1).
Во; второй день был добавлен второй короткий световой период, соответству-
ющий примерно началу субъективного дня, в течение третьего-шестого дней
первый световой сигнал не давали. У культуры № 1 ритм довольно быстро
затягивается к новой фазе, что весьма типично, так как подобный же резуль-
тат был получен еще на двух культурах, не представленных здесь. У куль-
туры № 2 ритм, однако, затягивается к фазе, мало отличающейся от фазы рит-
ма в первый день. Однако эта новая фаза не стабильна, и после 8-го дня
разница между культурами исчезает.
темноты и света и, возможно, перехода от темноты к свету или обратно зави-
сит от того, когда, в какой отрезок периода эндогенного ритма оно нано-
сится. Эта дифференциальная чувствительность к свету особенно четко
проявляется в тех случаях, когда фаза ритмического процесса, протека-
ющего в темноте, сдвигается под влиянием коротких световых импульсов.
Конечно, между дифференциальной чувствительностью к свету у организ-
мов разных типов можно провести только формальную аналогию. Тот факт,
что начало и конец субъективного дня являются наиболее чувствитель-
ными отрезками периода, тогда как другие части периода ритма значитель-
но менее чувствительны или совсем нечувствительны к свету, свидетельст-
86
В Брюс
вует, по-видимому, о наличии эндогенного механизма, периодически изме-
няющего чувствительность основной колебательной системы к свету
Этот эффект может быть обусловлен каким-либо вторичным ритмом, напри-
мер ритмом миграции пигмента фоторецепторов или рефрактерным состоя-
нием нервной системы Вместе с тем возможно, что дифференциальная
чувствительность заложена в основной колебательной системе
Интересно сопоставить оба рассмотренных выше общих правила
С одной стороны, очевидно, что особо важную роль в установлении фазы
ритма играют экзогенные переходы свет — темнота, темнота — свет С дру-
гой стороны, создается впечатление, что такую же роль играют эндогенные
переходы (по крайней мере, переходные процессы в эндогенных ритмах)
По-видимому, оба эти свойства играют адаптивную роль в некотором общем
процессе Совершенно ясна адаптивная роль подобной регуляции фазы
ритма для использования оптимальных условий в течение года Вполне
возможно, что эти свойства обеспечивают и другую важную потребность
организмов—потребность учитывать изменение продолжительности дня в те-
чение года, что необходимо для фотопериодического измерения времени
ЛИТЕРАТУРА
1 Pittendrigh С S, Bruce V G An oscillator model for biological clocks
pp 75—109 Rhythmic and Synthetic Processes in Growth, ed Rudnik Prm
ceton, Princeton Univ Press, 1957
2 Pittendrigh C S, Bruce V G, Daily rhythms as coupled oscillator
systems and their relation to thermoperiodism and photoperiodism, pp 475—505.
Photoperiodism and Related Phenomena in Plants and Animals, ed Withiow,
Washington, A A A S , 1959
3 Aschoff J, Exogenous and endogenous components in circadian rhythms,
Cold Spring Harbor Symp on Quant Biol Vol 25 (1960)
4 Pittendrigh C S, Perspective in the study of biological clocks pp 239—
268 Symposium on Perspectives in Marine Biology Berkeley, Calif Univ of Calif
Press, 1958
5 Aschoff J , Tierische Penodik unter dem Einfluss von Zeitgebern Zeit Tier
psychol , 15, 1—30 (1958)
6 Buhnemann F, Die rhythmische Sporebildung von Oedogontum cardtacum,
Wittr Biol Zentralbl , 74, 1—56 (1955)
7 R awson|K S, Homing behavior and endogenous activity rhythms Ph D The
sis, Harvard Univ , 1956
8 Menaker M, Persistent endogenous rhythms of body temperature in hiberna
ting bats Ph D Thesis Princeton University, 1959
9 Bunning E Physiological mechanism and biological importance of the endo-
genous diurnal periodicity in plants and animals, pp 507—530 Photoperiodism
and Related Phenomena in Plants and AmmaU ed Withrow, Washington,
A A A S , 1959
10 Pittendrigh C S, On temperature independence in the clocksystem con
trolling emergence time in Drosophila, Proc Nat Acad Sci , 40, 1018—1029 (1954)
11 Bunning E , Uber den Temperatureinfluss auf die endogene Tagesrhythmik
besonders bei Periplaneta amertcana, Biol Zentralbl , 77, 141 —152 (1958)
12 Buhnemann F, Das endodiurnale System der Oedogoniutnzelle III Uber
den Temperatureinfluss, Zeit Naturforsch , 10b, 305 —310 (1955)
13 Hastings J W, Sweeney В M, On the mechanism of temperature inde
pendence in a biological clock Proc Nat Acad Sci , 43, 804—811 (1957)
Влияние периодических внешних воздействий
87
14. Roberts S. К-, Circadian activity rhythms in cockroaches. I. The free-running
rhythm in steadystate, J. Cell, and Comp. Physiol., 55, 99—110 (1960).
15. L orcher L., Die Wirkung verschiedener Lichtqualitaten auf die endogene tages-
rhythmik von Phaseolus, Zeit. f. Bot., 46, 209—242 (1958).
16. Hastings J. W., Sweeney В. M., A persistent rhythm of luminescence
in Gonyaulax polyedra, Biol. Bull., 115, 440—459 (1958).
17. В r u с e V. G., Weight F., P i t t e n d r i g h C. S., Resetting the sporula-
tion rhythm in Pilobolus with short light flashes of high intensity, Science, 131,
728—730 (1960).
18. PittendrighC. S., Bruce V. G., R osensweigN. S., RubinM. L.,
A biological clock in Neurospora, Nature, 184, 169—171 (1959).
19. De С о u r s e у P. J., Daily activity rhythms in the flying squirrel, Glaucomys
volans. Ph. D. Dissertation, Univ, of Wisconsin, 1959.
20. Aschoff J., Frequenzanderung der Aktivitatsperiodik bei Mausen im Dauer-
dunkel und Dauerlicht. Pflliiger’s Arch., 255, 197—203 (1952).
21. Pittendrigh C. S.,Barth R., Unpublished experiments done at the Rocky
Mountain Biological Laboratory, Gothic, Colorado, 1956.
22. В u r c h a r d J. E., Re-setting a biological clock. Ph. D. Thesis, Princeton Uni-
versity, 1958.
23. Pittendrigh C. S., Biological contributions to a general model. Cold Spring
Harbor Symp. on Quant. Biol., Vol. 25 (1960).
24. R о b e r t s S. K-, Circadian activity rhythms in cockroaches. Ph. D. Thesis,
Princeton Univ., 1959.
25. К 1 e i t m a n N., Sleep and Wakefulness. Chicago, Univ, of Chicago Press, 1939.
26. К 1 e i t m a n N., К 1 e i t m a n E., Effects of non-twenty-four hour routines of
living on oral temperature and heart rate, J. Appl. Physiol., 6, 283—291
(1953).
27. Lewis P. R., L о b b a n M. C., Persistence of a twenty-four hour pattern of
diuresis in human subjects living on a twenty-two hour day, J. Physiol., 125,
34P (1954).
28. L e w i s P. R., Electrolytic excretion in human subjects living on a twenty-two
hour day, J. Physiol., 128, 44P (1955).
29. H a 1 b e r g F., Physiologic 24-hour periodicity in human beings and mice, the
lighting regimen and daily routine, pp. 803—878. Photoperiodism and Related
Phenomena in Plants and Animals, ed. Withrow. Washington, A. A. A. S., 1959.
30. В г о w m a n L. G., Modified spontaneous activity rhythms in rats. Am. J. Phy-
siol., 142, 633—637 (1944).
31. Browman L. G., Artificial sixteen-hour day activity rhythms in the white
rat, Am. J. Physiol., 168, 694—697 (1952).
32. Tr ihukai t B., Aktivitatsperiodik der Maus im kunstlichen verkurtzten Tag.
Naturwiss., 41, 92—93 (1954).
33. T r i b u к a i t B., Die Aktivitatsperiodik der weissen Maus im Kunsttag von 16—
29 Stunden Lange, Zeit. f. vergl. Physiol., 38, 479—490 (1956).
34. R a w s о n K- S., Experimental modification of mammalian activity rhythms,
pp. 791—800. Photoperiodism and Related Phenomena in Plants and Animals,
ed. Withrow. Washington, A. A. A. S., 1959.
35. De С о u r s e у P. J., Daily light sensitivity rhythm in a rodent, Science, 131,33—35
(1960).
36. Aschoff J., Meyer-Lohmann J., Die Aktivitatsperiodik Won Nagern
im kunstlichen 24-Stunden-Tag mit 6—20 Stunden Lichtzeit, Zeit. f. vergl.
Physiol., 37, 107—117 (1955).
37. Liss R. M., Frankel M. E., Unpublished experiments done in this labora-
tory as a senior thesis (1958).
88
В. Брюс
38. W е b b Н. М., Diurnal variations of response to light in the fiddler crab, Uca,
Physiol. Zool., 23, 316—337 (1950).
39. В г о w n F. A., Jr., W e b b H. M., Studies of the daily rhythmicity of the fid-
dler crab, Uca. Modifications by light, Physiol. Zool., 22, 136—148 (1949).
40. К 1 e i t m a n N., The modifiability of the diurnal pigmentary rhythm in isopods,
Biol. Bull., 78, 403—406 (1949).
41. R emmert H., Untersuchungen uber das tageszeitlich gebundene Schlupfen von
Pseudosmittia arenia (Dipt. Chironomidae), Zeit. f. vergl. Physiol., 37, 338—354
(1955).
42. Pf ef f er W., Die Entstehung der Schlafbewegungen bei Pflanzen, Biol. Centralbl.,
28, 389—415 (1908).
43. Preffer W., Beitrage zur Kenntnis der Entstehung der Schlafbewegungen.
Leipzig, Teubner, Germany, 1915.
44. S t 6 p p e 1 R., Uber den Einfluss des Lichtes auf das Offnen und Schliessen eini-
ger Bluten, Zeit. Bot., 2, 369—453 (1910).
45. Kleinhoonte A., De Door Her Licht Geregelde Autonome Bewegingen
der CcrtauaZta-Bladeren. Ph. D. Dissertation, Delft W. D. Meinema-Uitgever,
Holland, 1928.
46. Kleinhoonte A., Uber die durch das Licht regulierten autonomen Bewegun-
gen der Cantwa/w-В latter. Arch. neerL des Sc. ex. et nat., Illb V, 1 —110 (1929).
47. К 1 e i n h о о n t e A., Untersuchungen uber die autonomen Bewegungen der Pri.
marblatter von Canavalia ensiformis D. C. Jahr. f. wiss. Bot., 75, 679—725 (1932).
48. Biinsow R., Endogene Tagesrhythmik und Photoperiodismus bei Kalancho'e
blossfeldiana, Planta, 42, 220—252 (1953).
49. Flugel A., Die Gesetzmassigkeiten der endogenen Tagesrhythmik. Planta,
37, 337—375 (1949).
50. Biinning E., Endogenous diurnal cycles of activity in plants, pp. Ill —126.
Rhythmic and Synthetic Processes in Growth ed. Rudnik, Princeton, Princeton
Univ. Press, 1957.
51. В iinning E., Lorcher L., Regulierung und Auslosung endogentages-peri-
odischer Blattbewegungen durch verschiedene Lichtqualitaten, Naturwiss., 44,
472 (1957).
52. В ii n n i n g E., T a z a w a M., Uber den] Temperatureinfluss auf die endogene
Tagesrhythmik bei Phaseolus, Planta, 50, 107—121 (1957).
53. В i a 1 e J. B., Periodicity in transpiration of lemon cuttings under constant envi-
ronmental conditions. Proc. Am. Soc. Hort. Sci., 38, 70—74 (1940).
54. В ii n n i n g E., Tagesperiodische Bewegungen, pp. 579—656. Encyclopedia of
Plant Physiology, XVII 1. Springer-Verlag, Germany, 1959.
55. I n g о 1 d С. T., Сох V. J., Periodicity of spore discharge in Daldinia,
"Ann. of Bot., 19, 201—209 (1955).
56. Ubelmesser E. R., Uber den endonomen Rhythmus der Sporangientrager
bildung von Pilobolus, Arch. f. Mikrobiol., 20, 1—33 (1954).
57. Bruce V. G., Pittendrigh C. S., Temperature independence in a unicel-
lular «clock», Proc. Nat. Acad. Sci., 42, 676—682 (1956).
58. Hastings J. W., Sweeney В. M., The Gonyaulax clock, pp. 567—584.
Photoperiodism and Related Phenomena in Plants and Animals, ed. Withrow.
Washington, A. A. A. S., 1959.
59. Lorenzen] H., Synchrone Zellteilungen von Chlorella bei verschiedenen Licht-
Dunkel-Wechseln. Flora, 144, 473—496 (1957).
60. L о r e n z e n H., Periodizitat von Nuklearreaktion und Kernteilung in Chlorella,
Sond. Ber. Deutsch. Bot. Ges., 71, 89—97 (1958).
61. Pirson A., L о r e n z e n H., Ein endogener Zeitfaktor bei der Teilung von
Chlorella, Zeit. f. Bot., 46, 53—67 (1958).
Влияние периодических внешних воздействий
89
62. Buhnemann F., Das endodiurnale System der Oedogoniumzelle. IV. Die
Wirkung verschiedener spektralbereiche auf die Sporulation und Mitoserhythmik,
Planta, 46, 227—255 (1955).
63. В r u с e V. G., Unpublished experiments (1960).
64. S w e e n e у В. M., Hastings J. W., Characteristics of the diurnal rhythm
of luminescence in Gonyaulax polyedra, J. Cell, and Comp. Physiol., 49, 115—
128 (1957).
65. Ball N. G., D у к e I. J., An endogenous 24-hour rhythm in the growth rate
of the Avena coleoptile, J. Exper. Bot., 5, 421—433 (1954).
66. Weiss G., Unpublished experiments done in this laboratory as a senior thesis
(1957).
67. P 1 u m 1 e e L., Unpublished experiments done in this laboratory as a senior thesis
(1959).
68. Bunning E., Zur Kenntnis der endogenen Tagesrhythmik bei Insekten und bei
Pflanzen, Ber. dtsch. bot. Ges., 53, 594—623 (1935).
69. Wassermann L., Die auslosung endogen-tagesperiodischer Vorgange bei
Pflanzen durch einmalige Reize, Planta, 53, 647—669 (1959).
70. Pittendrigh C. S., Bruce V. G., Kaus P., On the significance of tran-
sients in daily rhythms Proc. Nat. Acad. Sci., 44, 965—973.
ОБСУЖДЕНИЕ ДОКЛАДА
Гриффин. При помещении Euglena в тяжелую воду период ритма
изменяется примерно от 24 до 28 час. Происходит ли это изменение с теми
же клетками или с новым поколением клеток?
Брюс. Наблюдения, с которыми связан этот вопрос, были рассмотре-
ны раньше. Удлинение периода Euglena, помещенной в D2O, происходит
не сразу, а лишь после определенного периода адаптации. Подобная
же адаптация необходима при переходе от D2O к Н2О, когда происходит
обратное изменение периода с 28 до 24 час. Если клетки, растущие в Н2О,
поместить временно, скажем на 12 час, в D2O, то фаза ритма сдвигается
таким образом, что устанавливается новый ритм, определяемый переходом
от D2O в Н2О.
С и р о х и. Д-р Брюс! Вы отмечали, что затягивание ритма световыми
циклами зависит от отношения светового и темнового периодов и продолжи-
тельности цикла. С циклами, период которых отличается от 24 час, наблю-
даются различные усложнения в явлениях затягивания ритма и определе-
ния его фазы. Что происходит с амплитудой ритма вылета Drosophila,
когда период цикла отличен от 24 час, например равен 36 час? Подобные
циклы представляют особый интерес для фотопериодических реакций.
Б юнн и не. Так как этот вопрос задан физиологом растений, я поста-
раюсь ответить на него. Мы имеем сведения относительно затягивания ритма
движения листьев 36-часовым циклом (СТ 18 : 18). В этом случае ампли-
туда движения листьев была меньше, чем при 24-часовом цикле (СТ 12 : 12).
Брюс. Ритм вылета Drosophila при таких циклах может иметь бимо-
дальный или трехмодальный характер, так же как и более типичный одно-
модальный. Число вылетающих мух, соответствующее каждому пику, зави-
сит от того, является ли ритм одномодальным, бимодальным или трехмо-
дальным. Общее же число мух, вылетевших в течение цикла, при разных
периодах примерно одинаково.
Гриффин. А что известно о реакции отдельных клеток Euglena?
Большая ли часть популяции попадает под световой луч и можно ли
90 В. Б р ю с
считать, что при последовательных испытаниях мы наблюдаем движения
одних и тех же клеток? Пожалуй, работая с этими простейшими, мы имеем
возможность ближе подобраться к проблеме «основных» часов, чем при
исследовании многоклеточных организмов.
Брюс. Хотя мы еще не наблюдали реакцию фототаксиса у отдельной
клетки Euglena в течение длительного промежутка времени, ряд косвенных
данных говорит о том, что в таких опытах наблюдается реакция всех или
по крайней мере почти всех клеток. Конечно, бывают условия (особенно
в течение субъективной ночи), когда практически ни одна клетка не отве-
чает на световой сигнал. В реакции фототаксиса нельзя различить под-
вижность и чувствительность к свету. Возможно, что некоторые факторы,
влияющие на подвижность, косвенно влияют и на характер этой реакции.
П. ДЕ КУРСИ
Сдвиг фазы, ритма активности у грызунов
под влиянием внешних синхронизирующих
факторов
о
На этом симпозиуме выявились две главные проблемы, встающие
перед нами при изучении циркадных ритмов: 1) установление физиологи-
ческого механизма или причины ритмов; 2) установление приспособитель-
ного значения циркадных ритмов.
В связи со второй проблемой было отмечено, что биологические часы
могут быть полезными для организма лишь в том случае, если они согласо-
ваны по фазе с периодическими изменениями окружающей среды. В этой
статье будет обсуждаться механизм сдвига фазы под влиянием внешних
факторов, приводящего к синхронизации биологических ритмов у живот-
ных с окружающей средой.
У многих видов животных между ритмами активности и естественными
суточными циклами день — ночь существуют определенные фазовые соот-
ношения. Ночные виды, такие, как Peromyscus[\ ], Phalaenoptilus nuttalli [2]
или летучая мышь [3, 4], начинают активную жизнь с заходом солнца
и прекращают ее с рассветом, тогда как многие дневные виды птиц [5, 6]
начинают активную жизнь на определенной стадии рассвета и заканчивают
в сумерки. В нашей лаборатории мы изучаем факторы, играющие существен-
ную роль в определении фазы ритма активности у ночных грызунов; в настоя-
щей работе будет сообщено о результатах опытов с летягой Glaucotnys
volans.
Нам удалось изучить активность представителей этого вида (как выра-
щенных в клетке, так и диких) в естественных условиях освещения. В есте-
ственных условиях летяги в течение осенних и зимних месяцев живут
стаями, и регистрируя в этот период время, когда животные покидают
свои гнезда и когда снова в них возвращаются, можно получить представле-
ние об их активности. Мы обнаружили тесную корреляцию между временем
ухода летяг из гнезда и временем захода солнца. Был также изучен ритм
активности летяг в больших вольерах или индивидуальных клетках, снаб-
женных автоматическими регистрирующими устройствами (фиг. 1). В этих
случаях также устанавливалась четкая корреляция между началом времени
активности и заходом солнца. Еще более строгая корреляция замечается
между началом активности и узким интервалом сумерек с определенным
уровнем освещенности [7].
Такая корреляция между началом активности и определенной интен-
сивностью освещения предполагает наличие регулирующего влияния среды
на активность. Многие участники этого симпозиума здесь и в своих
8 час.
7час.30мин.
7час.
бчас.ЗОмин,
6 час,
Бчас.ЗОмин.
Время после полудне
5час. - <£°\ /
°о ol.
.0 *
* ° оо^
• ♦*
3 часаЗОмин.:-''
4 часа
Lj_______।______|______।_______।___ ।______।______I_______।______।______I______1_______।______□
Январь Февраль Март Апрель Mail Июнь Июль Август Сентябрь ОктябрьНоябрьДекабрь Январь
1958 igsg
Фиг. 1. Начало двигательной активности летяги в условиях естественного освещения на протяжении года.
Пунктирная кривая — мео пое время захода солнца. Кружочки—начало активности: светлые — облачность меньше 0.7; со штрихом — облачность 0,7 —0,8;
черные — облачность больше 0,8-
Сдвиг фазы ритма активности у грызунов
93
опубликованных работах, особенно Ашофф [8, 9], Питтендрай [11—13] и
Раусон [14, 15], указывали, что, когда внешние определители времени—тем-
пература или освещение — исключаются, в ритмах активности животных
происходит сдвиг фазы. У большинства видов ритмы активности не являются
чисто экзогенными — они являются результатом действия как экзогенных,
так и эндогенных факторов.

5 —
з
/в
|‘5
СП
20
25
Время суток
Фиг. 2. Активность летяги в условиях постоянной темноты при 20°.
Опыт проводился с 14 июня по 8 июля 1959 г. Черными треугольниками отме-
чено время кормления.
Для изучения свободного периода и его роли в регуляции активности
были проведены опыты с большим числом летяг, находившихся в индиви-
дуальных клетках с колесом при температуре 20° в полной темноте. Вра-
щение колеса регистрировалось самописцем. Ежедневные записи для
каждого животного затем сводились в общие графики, охватывающие
длительный период времени. Бросаются в глаза следующие особенности
ритмов активности. Такой ритм существует и в отсутствие ритмических
изменений света или температуры. На протяжении суток состояние активно-
сти сменяется почти полным покоем (фиг. 2). Фаза ритма активности рас-
ходится с фазой нормального суточного цикла день — ночь. Беря за точку
отсчета резкий подъем активности, можно рассчитать среднюю величину
периода свободного ритма в темноте и таким образом измерить скорость
и направление сдвига фазы. Расчеты, проведенные по 48 опытам на 18 жи-
вотных, выдерживаемых в условиях темноты от 10 до 123 дней, показали,
что период варьирует от 22 час 58 мин до 24 час 21 мин (фиг. 3). Средняя
величина периода очень сильно менялась от одного животного к другому,
но для каждой особи вариации периода ото дня ко дню составляли лишь
несколько минут.
Таким образом, основными особенностями ритмов активности в темно-
те, по-видимому, являются: а) их устойчивость и эндогенная природа;
94
П. д е Курси
б) стабильность частоты для одной особи в течение исследуемого периода;
в) ограничение величины периода свободного ритма узкими пределами
(обычно период немного меньше 24 час, что и приводит к сдвигу фазы
активности); г) очень высокая точность сохранения ритма у одной особи.
Какие факторы внешней среды играют роль датчиков времени и каков
механизм их действия? Как указал Ашофф [9], датчиком времени в узком
интервале частот может служить периодическое изменение освещенности
или какого-либо другого фактора.
Дл"я установления роли этих регулирующих агентов были использо-
ваны два главных метода. Первый состоит в том, что животное, находившее-
ся в условиях постоянства внешней среды, переводят в такие условия,
Средняя длина периода, час
Фиг. 3. Распределение средней частоты ритма активности для
каждого из экспериментов в условиях постоянной темноты.
Объяснение см. в тексте.
где один из факторов изменяется ритмически (причем не в фазе с собствен-
ным ритмом животного), а затем это животное снова переводят в условия
постоянства среды. Этот метод применялся примерно в 30 экспериментах
с различными фазовыми соотношениями между эндогенным ритмом живот-
ного и 24-часовым циклом свет — темнота. Полученные результаты говорят
о том, что свет является очень эффективным синхронизующим фактором
(фиг. 4). Принятое обычно подразделение всех животных на две группы —
с периодом свободного ритма меньше и больше 24 час — связано именно-
с тем, что в природе эти виды животных находятся в условиях периоди-
чески меняющегося фактора с периодом, почти точно равным 24 час.
Характер синхронизации зависит от свободного периода и от соотно-
шения фаз светового цикла и цикла активности животного. Когда свобод-
ный период в темноте меньше 24 час и свет приходится на время субъектив-
ной ночи животного, синхронизация сопровождается характерным сту-
пенчатым запаздыванием фазы, что отмечалось и во многих предыдущих
экспериментах [9, 14—16]. Начало активности хорошо коррелирует с пере-
ходом свет — темнота. Впоследствии, когда животное возвращается в усло-
вия постоянной темноты, фаза начала активности возвращается к перво-
Сдвиг фазы, ритма активности у грызунов
95
начальной. На фиг. 5 представлены результаты, демонстрирующие глав-
ные типы синхронизации, полученные в этих экспериментах.
Животное № 1 дает картину, соответствующую случаю, рассмотрен-
ному выше; у животного № 2 свободный период меньше 24 час, и оно под-
20
25
4
R
В
30
35
40
45
7
50
1 » I » I > » ‘ I 1 ‘ 1 ‘ 1 ‘ ‘ 1 ‘ 1 1
12 14 16 182022 24 2 4 6 8 Ю Й
Время суток
Фиг. 4. Синхронизация ритма летяги циклом СТ 12 : 12, фаза
которого отличается от фазы ритма.
Первые четыре дня — полная темнота, пятый день — непрерывное освещение
1 лк (обозначено двойной линией), 6-й и 7-й дни — полная темнота, дни с 8-го
по 48-й — в условиях цикла СТ 12 : 12, с 49 по 53-й — полная темнота.
Л — время кормления; S — время чистки клетки.
96
П. д е Курси
вергалось действию света не во время субъективной ночи, а во время
субъективного дня. В этом случае свободный период остается неизменным
до тех пор, пока начало активности не совпадает с концом светового перио-
да; дальнейшее изменение приостанавливается переходом свет — темнота.
Если период ритма больше 24 час и свет, изменяющий фазу цикла, действует
Время c\jmoh
'•.AM- 2Ьчас15ш. 211-час 10 мин
» Кривую чувапва- * —• тельности к X свету см'ниже t СйШроиизация по
* отношению к началу * светового периода

1 J 1111111111
72 16 20 24 4 $ 12
Время суток
светового светового
периода периода
[*- Отсутствие ре- *]* Отставание Опережение^
I акции на свет 1 по фазе i по фазе
Е
—Субъективный день Субъективная ночь'7%%%}
Конец у Начало
светового светового
периода. периода
^-Отсутствие ре-Л*-Отставание по -^Опережение—>-
I акции на свет । фазе I по фазе
Фиг. 5. Различные типы синхронизации ритма активности летяг.
А — свободный период в темноте меньше 24 час (23 час 40 мин у животного № 1, 23 час 48 мин
у животного № 2); Б — свободный период больше 24 час (24 час 15 мин у животного № 3,
24 час 10 мин у животного № 4). Точками отмечено время начала активности. Внизу — кривые
чувствительности к свету. Дальнейшие объяснения см. в тексте.
лишь в течение субъективного дня (животное № 3), то начало активности
животных смещается и в конце концов приходится на 10—14 час до начала
светового периода. В этой точке происходит стабилизация. По-видимому,
освещение, совпадающее с субъективным началом дня, сокращает период
ритма активности, и, таким образом, происходит синхронизация. Если
период ритма в темноте больше 24 час и если свет действует в течение субъ-
ективной ночи (животное № 4), то начало активности постепенно задержи-
вается на протяжении всего светового периода, пока не будет стабилизиро-
вано так, как было показано для случая № 3. Следует отметить, что ритмы
с продолжительностью более 24 час встречаются нечасто (см. фиг. 3) и, по-
видимому, относительно неустойчивы. В контролируемых лабораторных
условиях они сохраняются относительно короткое время. По нашим данным
(которые мы здесь приводить не будем), такой метод синхронизации относи-
тельно начала дня, по-видимому, очень редко имеет место в природных
популяциях летяг.
Подобный тип синхронизации наблюдался и у других ночных грызу-
нов— как по моим собственным данным (неопубликованные результаты),
так и по данным, полученным в других лабораториях [9, 10, 13—15].
Сдвиг фазы ритма активности у грызунов
97
На основании этих экспериментов можно предполагать, что направление
сдвига фазы ритма зависит от того, в какое время дается освещение (фиг. 5,
нижние кривые). Вполне возможно, что ступенчатый сдвиг фазы ритма
при синхронизации ритмическими датчиками времени может быть обуслов-
лен, как постулировал Раусон [14], суточным ритмом чувствительности
к свету.
Второй экспериментальный метод — с использованием коротких све-
товых вспышек — позволяет детально исследовать ритм чувствительности
организма к свету. Такой метод «световых шоков» использовали Пит-
тендрай [11—13, 17, 18], Бюннинг [19], Раусон [14, 15], Гастингс и Суини
[20] и другие. Животное выдерживали в темноте в течение нескольких
дней или недель, чтобы измерить его свободный период в устойчивом состоя-
нии, а затем в определенный момент включали свет (обычно на 10 мин, 5 лк).
По направлению изменения ритма можно было рассчитать предполагаемое
время начала активности. Любое различие между ожидаемым и действи-
тельным временем начала активности рассматривалось как сдвиг фазы,
обусловленный действием света (метод этот графически представлен на
фиг. 6).
При таких расчетах необходимо быть осторожным. Во-первых, летяги
не идеально выдерживают свой ритм. Точность сохранения ритма оцени-
вали путем расчета стандартного отклонения ритма активности. Было
обнаружено, что для ритмов активности в темноте (см. фиг. 3) отклонение
в значениях периодов у различных животных колеблется в пределах
от±2 до ± 15 мин. Путем выбора наиболее «точных» экземпляров ожидае-
мую ошибку в расчете сдвига фазы можно снизить до нескольких минут.
Возможно также, что ответ животного на световое воздействие зависит
в какой-то мере от того, как долго оно подвергалось действию света или
других факторов в предшествующее время. У Glaucomys были отмечены
точно такие же изменения в частоте собственного ритма, о которых говорил
в своем докладе д-р Питтендрай- Некоторые трудности удается устранить,
если непосредственно перед каждым световым шоком измерять в качестве
контроля период свободного ритма в темноте. Характер ответа на стан-
дартный тест при широком варьировании светового режима показывает,
что изменения чувствительности к свету, по-видимому, не наблюдается.
Эти опыты с единичным световым воздействием указывают на то, что
у Glaucomys направление и величина сдвига фазы зависят от того, в какой
период собственного цикла животного имеет место воздействие света [21].
Свет вызывает максимальное запаздывание фазы, если он действует в момент
начала активности. Это запаздывание фазы постепенно уменьшается в тече-
ние 6 или 7 час после начала активности, вслед за чем наступает 3—5-часо-
вой период, когда фаза ускоряется (см. фиг. 5, 6). Действие света в течение
субъективного дня животного не приводит к сдвигу фазы, если оно начи-
нается ранее чем за час до начала активности.
Казалось бы, что подобная противоречивая система ответов на воз-
действие может привести к противоречивым результатам. Однако в одной
из серий экспериментов было показано, что при наличии двух противоре-
чащих сигналов действует лишь тот, который вызывает эффект запаздывания
фазы. Таким образом, опыты с кратковременными вспышками света прояс-
нили вопрос о ритме чувствительности — вопрос, решение которого было
лишь слегка намечено экспериментами по синхронизации. Более того,
эти опыты позволили утверждать, что синхронизация, по-видимому, проис-
ходит в результате ряда сдвигов фазы и что этот процесс находится под
контролем ритма чувствительности к свету.
98
77. д е Курси
В докладах, представленных на настоящий симпозиум, и в выступле-
ниях отдельных участников приводится лишь несколько ясных доказательств
того, что, кроме света, на фазу ритма могут влиять и другие факторы.
К числу таких вторичных потенциальных факторов следует отнести темпе-
ратуру и звук. В опытах на Glaucomys мы изучали влияние температуры
А
Б
I 1 I 1-1-1 I . I . 1 . I . I . I . I I I . I
121416182022 24 2 46 8 Ю 12
Время суток.
Фиг. 6. Метод «световых шоков».
А — включение света во время субъективного дня; Б — во время субъек-
тивной ночи; В — в начале субъективного Дня. Стрелки означают один све-
товой импульс (5 лк) длительностью 10 мин. Дальнейшие объяснения
см. в тексте.
и звука на фазу ритма, используя 24-часовые циклы и отдельные кратко-
временные импульсы (неопубликованные данные). Температурный цикл
12 час 25° — 12 час 15° оказался неэффективным. В ряде случаев наблю-
далось подавление активности животных во время теплого периода, но ког-
да животных снова переводили в условия постоянной температуры, стано-
вилось очевидным, что такое воздействие не синхронизует ритм и не опре-
деляет его фазу (фиг. 7). Столь же неэффективными оказались и звуковые
Сдвиг фазы ритма активности у грызунов
99
циклы. В противоположность коротким световым вспышкам резкое повы-
шение температуры или кратковременный звуковой сигнал не оказывали
заметного влияния на частоту ритма активности, в какой бы период ритма
они ни действовали. Таким образом, для Glaucomys свет является сильным
и специфическим агентом, управляющим фазой ритма.
/2 18 24 Б 12 18 24 6
Время суток
Фиг. 7. Синхронизация ритма активности летяг температурным
циклом.
1 — 10-й дни — ТТ при 15°, 11-й — 56-й дни — ТТ, 12 час 25°: 12 час 15°,
57-й — 64-й дни — ТТ при 20°. Черные треугольники означают время кор-
мления. Объяснение см. в тексте.
На этом симпозиуме, а также в работе Трибукайта [22] уже отмеча-
лось, что сильный синхронизатор, например свет, может затягивать ритм
биологических часов в широком диапазоне частот, тогда как слабые синхро-
низаторы эффективны лишь в очень узком диапазоне. Хотя температура
и звук в условиях наших опытов оказались неэффективными синхрониза-
торами для Glaucomys, вполне возможно, что они относятся к разряду
слабых синхронизаторов, которые при определенных условиях могли
бы вызвать определенный эффект.
100
П. д е Курси
В заключение можно отметить, что активность Glaucomys в естествен-
ных условиях совпадает с периодом темноты и что это соответствие сохра-
няется в течение всего года, по-видимому, благодаря взаимодействию эндо-
генного ритма активности с ритмом чувствительности к свету. В отношении
воздействия температуры или звука подобных явлений не отмечается.
ЛИТЕРАТУРА
1. Falls J. В., Activity and local distribution of deer mice in relation to certain
environmental factors, Ph. D. Thesis. University of Toronto, 1953.
2. Brauner J., Reactions of poor-wills to light and temperature, Condor, 54, 152—
159 (1952).
3. Twente J. W., Some aspects of habitat selection and other behavior of cavern
dwelling bats, Ecol., 36, 706—732 (1955).
4. V e n a b 1 e s L. S., Observations at a pipistrelle bat roost, J. An. EcoL, 12, 19—26
(1953).
5. L e о p о 1 d A., Unpublished experiments.
6. Grimm H., Zum Verhalten der Amsel bei abnehmender Tageshelligkeit, Berlin,
Deutscher Kulturbund, 1957.
7. De Coursey P. J., Daily activity rhythms in the flying squirrel, Glaucomys
volans, Ph. D. Thesis. University of Wisconsin, 1959.
8. A s c h о f f J., Tagesperiodik bei Mausestammen unter konstanten Umgebungsbe-
dingungen, Pfliig. Archiv., 262, 51—59 (1955).’
9. Aschoff J., Tierische Periodik unter dem Einfluss von Zeitgebern, Zeit. f. Tier-
psychol., 15, 1—30 (1958).
10. Aschoff J., Meyer-Lohmann J., Die 24-Stunden-Periodik von Nagern
im Natiirlichen und kiinstlichen Belichtungswechsel, Zeit. f. Tierpsychol., 11,
476—484 (1954).
11. Pittendrigh C. S., Bruce V. G., An oscillator model for biological clocks,
pp. 75—109. Rhythmic and Synthetic Processes in Growth, ed. Rudnick, Prin-
ceton, Princeton University Press, 1957.
12. P i t t e n d r i g h C. S., Bruce V. G., Kaus P., On the significance of
transients in daily rhythms, Proc. Nat. Acad. Sci., 44, 965—973 (1958).
13. P i t t e n d r i g h C. S., В r u с e V. G., Daily rhythms as coupled oscillator
systems and their relation to thermoperiodism and photoperiodism, pp. 475—505.
Photoperiodism and Related Phenomena in Plants and Animals, ed. Withrow,
Washington, A. A. A. S., 1959.
14. Rawson K. S., Homing behavior and endogenous activity rhythms, Ph. D. The-
sis. Harvard University, 1956.
15. R awson K. S., Experimental modification of mammalian endogenous activity
rhythms, pp. 791—800. Photoperiodism and Related Phenomenon in Plants and
Animals, ed. Withrow, Washington, A. A. A. S., 1959.
16. Holmgren H. J., Swensson A., Der Einfluss des Lichts auf den 24-Stun-
den-Rhythmus der Aktivitat, des Leberglykogens und der Korpertemperature,
Acta Med. Scand., 278, 285—298 (1953).
17. Bruce V. G., P i t t e n d r i g h C. S., Resetting the Euglena clock with a single
light stimulus, Amer. Nat., 92, 295—306 (1958).
18. В r u с e V. G., Weight F., P i t t e n d r i g h C. S., Resetting the sporula-
tion rhythm in Philobolus with short flashes of high intensity, Sci., 131, 728—730
(1960).
19. В ii n n i n g E., J о e r r e n s G., Versuche zur photoperiodischen Diapause-
Induktion bei Pieris brassicae L, Naturwiss., 17, 18—19 (1959).
Сдвиг фазы ритма активности у грызунов
101
20. Hastings J.W.,Sweeney В. М., A persistent diurnal rhythm of lumines-
cence in Gonyaulax polyedra, Bio. Bull., 115, 440—458 (1958).
21. De С о u r s e у P. J., Daily rhythm of light sensitivity in a rodent, Sci., 131, 33—
35 (1960).
22. T r i b u к a i t B., Die Aktivitatsperiodik der weissen Maus in Kunsstag von 16—
29 Stunden Lange, Zeit. f. ver. Physiol., 38, 479—490 (1956).
ОБСУЖДЕНИЕ ДОКЛАДА
Бюннинг. На растениях также было показано, что направление
и величина сдвига фазы под влиянием коротких вспышек света зависят
прежде всего от субъективного времени системы в момент воздействия.
Впервые это удалось наблюдать Клейнхонте в ее работе с движениями
листьев Canavalia.
Де Курси. Я совершенно согласна с замечанием д-ра Бюннинга,
что о существовании чувствительности к свету как у растений, так и у жи-
Частота
Фиг. 1. Спектр системы взаимно затягивающих нелинейных
осцилляторов.
вотных известно давно. Однако до четких опытов Раусона на Peromyscus
роль этих ритмических изменений в сдвиге фазы ритмов активности была
не ясна.
Барлоу. Световые сигналы являются основными синхронизующими
агентами, встречающимися в природе. Поэтому при изучении затягивания
ритмов у организмов в популяции естественно обратиться прежде всего к ор-
ганизмам, способным в природных условиях излучать и воспринимать свет.
В этом отношении удобным объектом являются светляки, на что указывал
в одной из своих работ проф. Винер. Д-р Гастингс говорил мне, что по край-
ней мере для некоторых видов светляков юго-восточной Азии такое совместное
затягивание ритмов вспышек твердо установлено. С точки зрения понима-
ния природы ритмов очень существенны количественные исследования
этого феномена. Как отмечал Винер, совместное затягивание системы осцил-
ляторов возможно лишь в том случае, если индивидуальные осцилляторы
нелинейны. В своей статье, представленной на этом симпозиуме, д-р Клот-
тер отмечает, что линейный осциллятор не может быть затянут частотой,
существенно отличающейся от его собственной.
Система взаимно затягивающих друг друга нелинейных осцилляторов
обладает одной интересной особенностью: результирующая частота сис-
темы более стабильна, чем частота каждого из них в отдельности. Пусть
система идентичных осцилляторов при отсутствии взаимодействия обладает
нормальным, или гауссовым, распределением частот. Если же осцилля-
торы взаимодействуют друг с другом, то спектр частот характеризуется
не нормальным распределением, а имеет форму, показанную на фиг. 1.
Появление впадин по обе стороны пика объясняется стягиванием частот
102
77. д е Курси
к центральной части спектра, в результате чего центральная полоса частот
сужается. На фиг. 1 представлено распределение системы осцилляторов
по частотам, но, согласно эргодической теореме, при соблюдении определен-
ных условий это распределение эквивалентно распределению состояния
осциллятора во времени. Отсюда мы можем заключить, что взаимодействие
осцилляторов приведет к стабилизации частоты во времени. Исходя из это-
го, можно ожидать, что ритм вспышек у большой группы взаимодействую-
щих светляков в постоянных условиях (скажем, при постоянной темпе-
ратуре) будет более стабилен, чем ритм вспышек у любого из светляков,
находящегося в изоляции. Рассмотренные выше свойства системы взаимно
затягивающих нелинейных осцилляторов имеют и более общее применение.
Эти представления поддерживают концепцию Питтендрая, согласно кото-
рой в каждом отдельном организме система отсчета времени представляет
собой набор осцилляторов, а не один-единственный осциллятор. Отметим
также, что приведенное выше рассуждение о повышении стабильности
в системе осцилляторов может быть справедливо лишь в условиях постоян-
ной температуры. Действительно, величина Q10 системы осцилляторов
не должна отличаться от Q10 индивидуальных осцилляторов (так как было
принято, что они идентичны). Наблюдающуюся в опыте температурную
стабильность ритмов можно, вероятно, объяснить тем, что значения Q10
индивидуальных осцилляторов не одинаковы и дают одинаковый разброс
в обе стороны от единицы.
Ф. БРАУН
Геофизические, факторы, и проблема
биологических часов
о
Прежде чем приступить к теме моего доклада, мне хотелось бы кратко
коснуться некоторых аспектов взаимоотношения этой проблемы с более
широкой проблемой биологических часов. Мы должны быть уверены в том,
что семантические барьеры не помешают нам правильно понимать друг
друга. Термин «clock» происходит от латинского слова «clocca» или от старо-
французского cloque (cloche), означающих звонок. Уже этимология слова
отражает основную роль часов в быту как прибора, отмечающего опреде-
ленные моменты и периоды солнечных суток, независимо от того, находится
ли в них самих механизм измерения времени или нет.
Совершенно очевидно, что следует принципиально различать понятия
часов и механизма определения времени. Термин «часы» одинаково прило-
жим к любому прибору, показывающему время суток, независимо от того,
содержит ли этот прибор свой собственный механизм определения времени
(например, анкерные или маятниковые часы) или не содержит такого
механизма (например, солнечные и большинство электрических часов,
которые используют поступающую в них извне информацию о времени).
Ясно, что часы, отмечающие лишь определенные моменты суточного
цикла, легко отличать терминологически и по существу от часовых меха-
низмов, обеспечивающих поступление ритмически повторяющихся сигналов.
В проблеме биологических часов возникают подобные же вопросы
относительно основных понятий и терминов.
Соотношение между течением физиологических процессов и биоло-
гическими часами вполне подобно гибкому и глубокому соответствию,
существующему между часами, сделанными человеком, и всем ритмом его
деятельности. Более того, опыт показывает, что «живые часы» могут быть
успешно регулируемы посредством внешних сигналов; наиболее эффективны
в этом отношении световые и температурные сигналы. Образно выражаясь,
стрелки живых часов могут быть поставлены на любое время суток.
Для того чтобы понять природу часов, изучая лишь контролируемые
ими процессы, нужно глубоко представлять себе связь между механизмом
часов и этими процессами.
Одна из существеннейших проблем, связанных с биологическими
часами, касается взаимоотношения часов и циркадных ритмов. Отражают
ли циркадные ритмы непосредственно ход неточных, идущих с переменной
скоростью часов, и коррекция их хода естественными световыми и темпе-
ратурными циклами к 24-часовому циклу не существенна, или эта лабиль-
ная периодичность имеет иную природу? Ясный ответ на эти вопросы
104
Ф. Браун
дают блестящие работы Вебб [1] и Стефенса [2], установивших наличие
ритма суточной чувствительности к действию температуры и света. В про-
цессе выравнивания фазы собственного ритма с фазой геофизических
циклов организмы безусловно играют не пассивную роль [3]. Циркадные
ритмы могут естественно возникать в результате того, что в организме
в постоянных условиях непрерывно действует часовой механизм, осущест-
вляющий фазовую автоподстройку [4]; с этой точки зрения их появление
вполне вероятно.
Исходя из этого представления, легко понять, почему освещение и тем-
пература играют сходную роль в определении длины периода циркадного
ритма. Простое объяснение получает также тот факт, что период циркадных
ритмов отклоняется от 24 час не более чем на 5—6 час.
Вероятно, есть смысл интерпретировать циркадные ритмы как прояв-
ление деятельности естественного удивительно хорошо адаптирующегося
часового механизма в ответ на экспериментально созданные постоянные
условия (термин «постоянные условия» предполагает постоянство факторов,
определяющих пуск часового механизма).
У нас нет данных, позволяющих утверждать, что циркадные ритмы
(в отличие от истинно суточных) действительно наблюдаются где-либо
в природе, вне стен лабораторий. Исключениями являются случаи быстрого
перемещения организма в широтном направлении и, возможно, поведение
живых существ в районах полюсов. Напротив, поведение организмов
в естественных условиях заставляет предполагать наличие у них очень
точной часовой системы — значительно более точной по сравнению с той,
какую можно было бы ожидать, предположив, что организм определяет
время суток по вариабельным, очень медленным колебаниям температуры
и освещенности в окружающей среде.
Даже оставив в стороне вопрос о причинах непостоянства периода
циркадного ритма, мы все равно сталкиваемся с проблемой природы опре-
делителя времени для живых часов. В последнее время молчаливо прини-
мают, что этот определитель находится в самом организме. Считается,
что период ритма определяется организмом независимо от какого бы то ни
было периодического внешнего воздействия. Гипотеза эта основывается
на трех общеизвестных фактах: 1) отличие периода ритма от 24 час в опы-
тах, проводимых при постоянных условиях; 2) легкость, с которой сдви-
гается фаза ритмов; 3) сохранение периода ритма при широтном перемеще-
нии организма, сопровождающемся изменением всех определенных местом
и временем геофизических факторов. Однако ни одно из этих наблюдений
не может служить доказательством в том смысле, в каком это слово обычно
понимают в науке.
Действительно, возможна и иная интерпретация только что приве-
денных фактов, согласно которой доказательность двух первых аргумен-
тов по крайней мере сомнительна. Данные, которые я приведу ниже, поз-
волят также дать иное объяснение явлениям, наблюдающимся при широтном
перемещении организмов.
Согласно данным Ральфа [5], даже влияние аноксии и, вероятно,
действие любого химического вещества на длину периода ритма можно
объяснить влиянием этих воздействий на механизм сдвига фазы ритма,
а не непосредственным действием на частоту основного часового меха-
низма.
Короче говоря, в настоящее время мы не располагаем данными, сви-
детельствующими об отличии периодов основного часового механизма
от периодов геофизических суточных циклов. По-прежнему остается
Геофизические факторы и проблема биологических часов
105
нерешенным вопрос о том, где находится определитель времени — внутри
организма или вне него.
Я хотел бы теперь перейти к обсуждению ряда работ, заставляющих
предполагать внешнюю природу определителя времени. Я имею в виду
проявление в биологических ритмах внешней периодичности в тех случаях,
когда опыты проводятся в так называемых постоянных условиях. Суще-
ствуют ритмы, периоды которых, а также до некоторой степени форма
Фиг. 1. Схема, показывающая связь движения небесных тел
с важнейшими геофизическими циклами.
и амплитуда, прямо зависят от тонких ритмических изменений ряда геофи-
зических факторов. В противоположность циркадным ритмам эти ритмы
наблюдаются всегда; их амплитуда варьирует от 1—2% амплитуды циркад-
ного ритма до весьма больших значений. По устойчивости формы они весь-
ма близки к циркадным ритмам. Можно даже сказать, что эти ритмы лежат
в основе циркадных ритмов, сливаясь с ними, как только наступает точная
синхронизация циркадного ритма с естественной геофизической периодич-
ностью. Мы располагаем данными, свидетельствующими о том, что цир-
кадные ритмы находятся в совершенно определенных фазовых соотноше-
ниях с внешними ритмами.
Внешний ритм тоже является циркадным, но циркадным в другом
смысле. В этом случае мы имеем дело с тремя строго различными периодами
(фиг. 1), соответствующими: 1) вращению Земли по отношению к Солнцу,
2) вращению Земли по отношению к Луне и 3) вращению Земли по отноше-
нию к звездам. Первый период называется солнечными сутками, второй —•
лунными, и третий — сидерическими, или звездными. Продолжительность
суток обычно измеряется в часах. В порядке приведенного выше перечисле-
ния продолжительность суток (в солнечных часах) равна 24,0, 24,8, 23,9 час
соответственно. У организмов, находящихся в постоянных условиях,
106
Ф. Браун
всегда наблюдаются хорошо выраженные ритмы, соответствующие лунным
и солнечным суткам. Интерференция этих двух ритмов приводит к появле-
нию хорошо известной периодичности — 29,5-суточному синодическому
месяцу, причем минимум результирующего ритма приходится на новолуние,
максимум — на полнолуние. Биологические ритмы с периодом, в точности
равным синодическому месяцу, встречаются повсеместно. К числу таких
ритмов относятся ритмы репродуктивной активности у низших животных
и растений, строго синхронизованные с фазами Луны, а также менструаль-
ный цикл у женщин, где синхронизация не столь строга [6].
Ряд данных говорит также о наличии у организмов ритма, соответствую-
щего звездным суткам; этот ритм, однако, выражен менее четко и изучение
его особенно затруднено тем, что результат интерференции этого ритма
с лунной или солнечной периодичностью приводит к ритмам, периоды
которых совпадают с периодами обращения Луны или Земли по их орбитам.
Таким образом, биологические ритмы с такими длинными периодами
можно рассматривать (хотя бы отчасти) как результат интерференции
трех специфических циркадных ритмов. Однако, как мы увидим далее,
годичный ритм является по своему происхождению скорее первичным,
нежели производным.
Мы получили первые два свидетельства о внешней природе биологи-
ческих ритмов неожиданно для самих себя в то время, когда нашей рабочей
гипотезой было предположение о внутренней их природе. Эти данные подор-
вали нашу уверенность в правильности принятой гипотезы. Опыт состоял
в следующем: устрицы, собранные на отмели в Нью-Хевене (штат Кон-
нектикут), были перевезеныв темном резервуаре в Эванстон (штат Иллинойс).
Первоначально, как мы и ожидали, периоды активности устриц совпадали
по фазе со временем прилива в Нью-Хевене. Устрицы максимально раскры-
вали свои створки во время наивысшей фазы прилива. За две недели, однако,
период наивысшей активности сместился так, что стал совпадать с часо-
выми углами луны 0° и 180° в Эванстоне. Вновь установившееся соответ-
ствие сохранялось затем в течение целого месяца, в продолжение которого
велись эти исследования [7]. Недавно Беннет и мне [8] удалось обнаружить
у крабов Uca подобные же явления. Мы установили, что двигательная
активность крабов, привезенных с отмелей, где время наинизшего отлива
на 4 час отличается от соответствующего времени в новом месте, в течение
недели синхронизуется с приливами в новом месте (во время этого опыта
крабы содержались в режиме «постоянных условий»). Результаты, несомнен-
но, свидетельствуют о том, что тонкие атмосферные изменения могут играть
ту же роль, что и местные приливы; эти изменения несут, конечно, также
информацию о лунных сутках.
Второе наблюдение было получено нами также случайно. Мы пред-
приняли ряд опытов для изучения общего обмена организма, находящегося
в постоянных условиях в течение длительного времени. Для этой цели
нами был сконструирован респирометр (фиг. 2, Л) поплавкового типа,
принцип работы которого основан на измерении плавучести поплавка,
меняющейся в результате поглощения О2 [9, 10]. В течение ряда месяцев
мы интенсивно работали, стараясь создать эффективную систему, позво-
лявшую вносить необходимую коррекцию на изменение атмосферного
давления. Однако даже наши лучшие компенсирующие системы не позволяли
целиком избежать корреляции с большими случайными колебаниями давле-
ния, ассоциированными с погодой. Наконец, была создана баростатическая
система (фиг. 2, Б). К нашему удивлению, обнаруженные корреляции
сохранялись и в этих условиях, когда организмы находились при постоян-
Геофизические факторы и проблема биологических часов
107
ном давлении, и имели такой характер, что их вряд ли можно было объяс-
нить случайными причинами. Очевидно, какие-то внешние стимулы, отра-
жающие изменение атмосферного давления, продолжали воздействовать
на организм. Позднее мы обнаружили также, что организмы, находящиеся
при строго постоянной температуре, каким-то образом чувствуют изменение
температуры в окружающей среде [11]. Следует учесть, что температура
и давление воздуха более или менее точно следуют за всеми солнечными
и лунными циклами.
Фиг. 2. Поплавковый респирометр (4) и самопишущий респиро-
метр, помещенный в баростат (Б).
1 — резервуар кислорода; 2 — игольчатый клапан; 3 — резиновый стопор;
4 — свинцовый балласт; 5 — поглотители; 6 — камера с организмом; 7 — ба-
рометр; 8 — барабан; 9 — мотор; 10 — отсчетная шкала; 11 — респирометры;
12 — внутренний резервуар; 13 — внешний резервуар.
Рассмотрим кратко соотношение между поглощением кислорода орга-
низмами, находящимися в постоянных условиях, и изменениями темпера-
туры и давления воздуха. Обширные исследования такого рода проведены
на картофеле, для которого типичен некоторый определенный суточный
ритм поглощения кислорода. Усредненная форма такого ритма, полученная
в результате трехлетних исследований, приведена на фиг. 3, А. Интенсив-
ность обмена довольно низка ночью, быстро повышается утром, имеет три
дневных максимума и резко спадает с наступлением вечера. Как показы-
вает фиг. 3, Б, средний процент возрастания интенсивности дыхания за вре-
мя с 1 до 9 час. утра меняется ритмически с периодом, соответствующим
синодическому месяцу. Минимум приходится на новолуние, максимум —
на 3-ю четверть. Это явление легко объяснить, приняв, что в действитель-
ности наблюдается два ритма — соответствующих лунным и солнечным
суткам. Их наложение и дает наблюдаемую периодичность.
Различие между интенсивностью дыхания картофеля около полудня
и в 1 час ночи (выраженное в процентах) коррелирует со средней дневной
температурой воздуха, следуя за всеми связанными с погодой нерегулярно-
стями и сезонными изменениями температуры даже в тех случаях, когда
само растение находится при постоянной температуре (фиг. 4, Б). Если
температура воздуха ниже 57° F (14° С), знак корреляции положителен,
при температуре выше 14° С — отрицателен. Такая корреляция интенсив-
ности метаболизма и температуры, меняющая знак при 14 ° С, очевидно,
108
Ф. Браун
в значительной мере ответственна за годовой ритм этого параметра, имею-
щего максимум весной и осенью и минимум (относительный) летом (фиг. 4, Л).
Частично эти годовые изменения формы метаболического цикла свя-
заны с изменением суточного цикла барометрического давления в тече-
ние года.
Существует четкое взаимоотношение между нерегулярностями биоло-
гических циклов, периоды которых соответствуют солнечным суткам,
и нерегулярностями суточных колебаний давления, связанных с погодой.
На фиг. 5, А кривая 1 показывает типичный суточный цикл барометри-
ческого давления для июня, а кривая II — для декабря. Крестиками
Б

г
\
\
\
\
\
\
\
\
\
\т
\
Новолуние Полнолуние
Дни месяца
Время суток
Фиг. 3.
А — усредненный суточный цикл поглощения Оз картофелем; Б — усредненные синодические
модуляции формы суточного цикла; по осн ординат отложено среднее возрастание интенсивности
дыхания (в %) с полночи до 9 час. утра.
отмечено время утреннего максимума давления (по наблюдениям, проводив-
шимся в течение четырех лет), точками — время послеполуденного миниму-
ма давления; хорошо виден периодический сдвиг времени минимума с 19 час.
летом до 14 час. зимой. Вверху в рамке на фиг. 5, А приведена типичная
форма суточных флуктуаций интенсивности метаболизма картофеля, нахо-
дящегося в постоянных условиях, для летних месяцев (наблюдения про-
водились в течение 3 лет). Первый максимум метаболической активности
приходится летом примерно на 6 час. утра, что хорошо коррелирует со сред-
ней скоростью изменения барометрического давления от 2 до 6 час. Второй
максимум — в 18 час.— связан со средней скоростью изменения давления
от 14 до 18 час., но знак корреляции обратный. В общем в течение летних
месяцев наблюдается следующая закономерность: чем быстрее возрастает
давление утром, тем выше утренний максимум в этот день (фиг. 5, Б),
и чем быстрее падает давление после полудня, тем опять же выше вечерний
максимум в 18 час. Внизу в рамке на фиг. 5, А показана форма кривой
интенсивности метаболизма картофеля для января и февраля (наблюдения
также в течение 3 лет). Различия между зимним и летним метаболическими
циклами связаны с суточным ходом давления следующим образом. В пери-
Геофизические факторы и проблема биологических часов
109
од 2—6 час. после полудня в зимнее время наблюдается подъем давления,
а летом — падение. Знак корреляции между утренним изменением давле-
ния и интенсивностью метаболизма изменяется зимой на обратный (фиг. 5,В),
тогда как для соотношения вечернего максимума метаболизма и послеполу-
денной скорости изменения давления он остается прежним.
Фиг. 4.
А — различие между интенсивностью дыхания картофеля (в %) в полночь и в полдень для разных
времен года (сплошная кривая, правая шкала), пунктир — среднемесячная температура за 4 года
(левая шкала), Б — соотношение между разностью полночь — полдень и наружной температурой,
стрелка на графике в рамке указывает, в какое время дня определялась температура
По очевидным причинам корреляция (может быть (замечена для
этого периода лишь в том случае, если мы пренебрежем знаком откло-
нений.
За исключением короткого интервала времени в районе 18 час., в тече-
ние которого сохраняется отрицательный знак корреляции, зимний суточ-
ный метаболический цикл является почти буквальным обращением летнего.
Летом, когда утреннее и вечернее изменение давления имеет разные знаки,
знак корреляции давление — метаболизм меняется у картофеля цикличе-
ски с периодом 12 час. Но зимой изменения давления утром и вечером имеют
один и тот же знак,, и ритм метаболизма более или менее соответствует
этим изменениям.
Установленные выше корреляции между суточным изменением темпе-
ратуры и скоростью изменения атмосферного давления утром и после
полудня, с одной стороны, и суточным ритмом метаболизма—с другой,
практически полностью определяют годовые изменения этих соответствую-
щих солнечным суткам ритмов. Мы подчеркивали, что эти корреляции
не являются следствием взаимодействия двух независимых периодических
процессов, поскольку изменения метаболизма отражают нерегулярные
110
Ф. Браун
флуктуации температуры и давления, которые зависят от местных метео-
рологических условий.
Нами был тщательно изучен также краб Uca [12]. На фиг. 6, А пред-
ставлены результаты, полученные мною и Вебб в 1956 и 1957 гг. на кра-
бах, содержащихся в постоянных условиях. Вторая пара кривых изобра-
жает суточные циклы в дни, приходящиеся на новолуние и полнолуние,
а остальные кривые соответствуют предыдущему дню и четырем последую-
щим дням. Этот суточный ритм явно содержит в себе две компоненты.
Фиг. 5.
А — средний суточный цикл барометрического давления для июня (/) и декабря (II). Крестики
и точки показывают соответственно среднее по 4 годам время максимума и минимума давления
на протяжении года. В верхней рамке показан летний суточный цикл картофеля, в нижней — зим-
ний цикл; Б н В — корреляционная зависимость изменения барометрического давления и дыхания
в утренние часы для лета и зимы.
Одна, соответствующая лунным суткам, имеет два пика — при Луне в зени-
те и в надире (фиг. 6, 5), другая, соответствующая солнечным суткам,
имеет максимум утром и минимум после полудня (фиг. 6, В). Амплитуда
пиков (от минимума до максимума) составляет около 40% от среднего
значения. В результате комбинации этих ритмов появляется новый ритм
с полумесячным периодом. С таким периодом происходит смена формы
кривых суточного метаболического ритма. Результаты хорошо воспроиз-
водились в течение 5 последних лет.
Хотя суточный ритм краба Uca в летнее время совсем не похож на ритм
картофеля, связь этих ритмов с изменением барометрического давления
по существу одинакова. У крабов, однако, в отличие от картофеля для
обоих пиков ритма (в 6 и 18 час.) отмечается положительная корреляция
суточного ритма с изменением давления от 2 до 6 и от 14 до 18 час. соответ-
ственно [4]. Другими словами, чем быстрее утром возрастает атмосферное
давление, тем выше уровень биохимической активности крабов в 6 час.,
и чем быстрее падает давление после полудня, тем ниже этот уровень в 18 час.
Геофизические факторы и проблема биологических часов 111
Фиг. 6, Г изображает соотношение между изменением давления и интен-
сивностью метаболических процессов в 6 час. утра. Если исключить обозна-
ченные черными точками результаты, соответствующие пятидневным перио-
дам, приходящимся на 1-ю и 3-ю четверти Луны (5—9-й день после каждого
новолуния и полнолуния), когда активность крабов особенно высока [13,
Фиг. 6.
Л — усредненный метаболический цикл краба Uca для 6 дней в естественном полумесячном цик-
ле. Заметно наличие синодического ритма, являющегося результатом наложения лунного (Б) и
солнечного (В, кривая I) суточных ритмов. Кривая II изображает изменение барометрического
давления на протяжении солнечных суток; Г — корреляционное соотношение между скоростью
изменения барометрического давления утром и 6-часовым уровнем метаболизма. Подробности
см. в тексте.
14], то коэффициент корреляции между изменением давления и метаболиз-
мом крабов в 6 час. будет равен 0,86. Такая тесная корреляция изменения
давления и интенсивности метаболизма, а также систематические сдвиги
в суточном рцтме метаболизма, приведенные на фиг. 6, А, убедительно
свидетельствуют о том, что ритм изменения этих двух параметров — давле-
ния и метаболизма — испытывает существенную модуляцию под влиянием
лунного цикла.
112
Ф. Браун
Подобные корреляции между суточными метаболическими циклами
и изменением атмосферного давления были получены и для других изучав-
шихся видов животных и растений, начиная с водорослей и кончая позво-
ночными. Интересно, что у всех этих организмов существует связь только
между изменением давления в период от 14 до 18 час. и метаболической
активностью в 6—18 час., а для других отрезков времени такой корреля-
ции не отмечается. Универсальный характер такой корреляции показывает,
Фиг. 7. Средний лунный суточный цикл.
1 — крыса (2 месяца); II — венерида (8 месяцев); III — улитка (1 месяц); IV — водоросль Fucus
(5 летних сезонов); V — картофель (3 года); VI — краб (5 летних сезонов). В скобках указана
длительность наблюдений.
сколь точно приспособились организмы к суточным колебаниям атмосфер-
ного давления (атмосферные приливы) и к систематическим сдвигам ритма
этих колебаний в течение лунного месяца.
Сопоставляя связанные с солнечными сутками ритмы у столь различ-
ных организмов, как крабы и картофель, мы видели, что суточный ритм
этих двух видов состоит из подобных и зеркально подобных частей. Анало-
гичные соотношения можно установить и для ритмов, связанных с лун-
ными сутками.
На фиг. 7 кривая VI соответствует ритму метаболизма у краба Uca
в течение лунных суток. Кривая получена усреднением результатов опытов,
проводившихся в летние месяцы в течение 5 лет (1955—1959). Кривые
IV и V отображают метаболический цикл в течение лунных суток для карто-
феля и водоросли Fucus. Графики получены в результате усреднения инди-
видуальных циклов для картофеля в течение 3 лет и для водоросли в течение
5 летних сезонов. Различия между этими кривыми могут быть истолкованы
так же, как и различия между аналогичными кривыми для крабов и карто-
феля. В период от 23 до 10 лунных часов ход всех трех кривых одинаков,
Геофизические факторы и проблема биологических часов
113
в остальное время одна из кривых является зеркальным отражением
двух других.
Кривая / на фиг. 7 изображает усредненный цикл двигательной актив-
ности крысы в течение лунных суток. Исследования проводились на протя-
жении двух зимних месяцев; крыса содержалась при постоянной темпера-
туре и низкой интенсивности освещения [15]. Двигательная активность
при Луне в надире примерно в 3 раза больше, чем в зените. Мы проводили
подобный опыт 3 года спустя с другой крысой и получили подобную же фор-
му цикла активности, но в этот раз различие активности при Луне в надире
и в зените было шестикратным. По-видимому, лунный цикл был замещен
циркадным [16]. Кривая активности для крыс подобна зеркальному ото-
бражению кривой активности для краба, если в качестве центра отражения
мы выберем время, соответствующее 10 час. после зенита. Кривая II отобра-
жает динамику открывания створок венериды Venus mercenaria (двуствор-
чатый моллюск), содержавшейся в условиях постоянной температуры и низкой
интенсивности освещения (наблюдения проводились в течение 8 месяцев)
[17, 18]. Вся кривая в целом представляет собой точное зеркальное отражение
кривой активности крысы. Кривая III отображает динамику поглощения
кислорода улитками (измерения были проведены в течение одного летнего
месяца при помощи респирометра) [19]. У большинства организмов метабо-
лический цикл, соответствующий лунным суткам, сходен с циклом карто-
феля. Подобная общая форма была найдена для столь различных организмов,
как морковь, дождевые черви [20], раки [21], саламандры [22] и белые
мыши [23].
В настоящее время можно считать твердо установленным, что у многих
видов растений и животных, находящихся в так называемых постоянных
условиях, проявляется ритмичность метаболических процессов, обладаю-
щая всеми особенностями солнечной и лунной периодичности. Так как
к числу изученных видов принадлежат очень разные организмы — от мор-
ских водорослей до крыс,— то кажется естественным сделать предположе-
ние, что это явление носит универсальный характер. Короче говоря, пред-
ставляется теоретически возможным достаточно точно следить за положени-
ем Луны и Солнца, будучи изолированным от внешнего мира и располагая
лишь песочными часами (рассчитанными на 1 час) и набором дышащих
организмов (несмотря на то что поступающая к нам информация будет
всегда несколько искажаться большими апериодическими колебаниями
атмосферных факторов, обусловленными погодой).
На основании приведенных выше и некоторых других наблюдений
мы пришли к выводу, что считавшиеся ранее постоянными условия в дей-
ствительности не являются постоянными. Без поступления внешней инфор-
мации внутренние часы могли бы согласовать деятельность организма
с регулярными внешними процессами, но уж во всяком случае не с нару-
шениями этой регулярности.
Были получены также очень интересные данные о наличии корреляции
между активностью животных, находящихся в так называемых постоянных
условиях, и интенсивностью первичного космического излучения [24].
Активность животных изучали одновременно в Чикаго и Кейн-Код, отстоя-
щем на 1600 км к востоку. Обнаруженные при этом биологические и физи-
ческие циклы оказались удивительно подобными друг Другу. В ряде случа-
ев эта связь определяется прямым наложением кривых, в других случаях
требуется брать зеркальное отображение одной из них. Особенно ярко
подобное соответствие бросается в глаза, если эти кривые привести к уни-
версальному времени. На фиг. 8 приведено 8 пар подобных кривых. Самое
114
Ф. Браун
интересное, что кривые для крабов и картофеля сохраняют одни и те же
соотношения с циклами космического излучения в 1954 и 1955 гг., когда
эти циклы были различными. Следует отметить также, что у краба и у кар-
тофеля корреляция между метаболической активностью и интенсивностью
Солнечные сутки Лунные сутки
Фиг. 8. Сравнение лунных и солнечных циклов активности организмов (сплошные
кривые) и циклических изменений первичного космического излучения (пунктир).
Опыты с крабами, водорослями и веиеридами проводились на расстоянии 1600 км к востоку
от того места, где определялась интенсивность излучения и ставились опыты с другими организ-
мами. Для синхронизации их циклов внесена поправка на местное солнечное время.
метаболической активностью и атмосферным давлением, а именно у краба
эта корреляция положительна в течение всех 24 час, тогда как у картофеля
две половины суток различаются знаком корреляции. У водоросли Fucus,
двустворчатого моллюска V. mercenaria и моркови также наблюдаются
положительные или отрицательные корреляции метаболизма и космиче-
ского излучения.
На основании этих данных впервые было высказано предположение
о наличии в биологических часах некоторой компоненты, отражающей
универсальное время. Эти опыты позволяют предположить, что, во-первых,
организмы несколько более пассивно определяют время, чем это следо-
вало из других работ, и, во-вторых, фактор, воздействующий на организ-
мы, должен быть некоторым образом связан с первичным космическим
излучением (поскольку интенсивность космического излучения опреде-
ляется процессами, протекающими вне земной атмосферы). Подозрение
сразу же падает на магнитное и электрическое поле Земли, влияние которых
на интенсивность космического излучения хорошо известно'. Нам удалось
Геофизические факторы и проблема биологических часов
115
показать, что электростатическое и магнитное поля действительно влияют
на биологические ритмы. Подобное их действие на организм ранее не было
описано. Мне хотелось бы коротко рассказать вам сущность одного удиви-
тельного открытия; нам удалось обнаружить совершенно неожиданное
действие слабых магнитных полей на организм, а также найти интимные
связи этого явления с проблемой биологических часов.
N
Южный магнитный полюс
Фиг. 9. Схема трех вариантов опыта с улитками.
Известно, что напряженность магнитного поля Земли испытывает
ритмические колебания, связанные с движением Солнца и Луны. Нам
кажется разумным предположить, что земной магнетизм некоторым образом
причастен к явлению ориентации животных. За последнее время во многих
работах была показана тесная связь между миграцией животных и биоло-
гическими часами. Можно предположить, что организм обладает способ-
ностью использовать некоторую внешнюю информацию для ориентации
как во времени, так и в пространстве. Для того чтобы выяснить, определяет
ли магнетизм одновременно пространственную и временную ориентацию,
мы провели наблюдения над относительно быстро ползающей улиткой
Nassarius obsolete,, обитающей на топких берегах Новой Англии. В течение
2 месяцев последнего лета мы проследили более 34 000 траекторий улиток.
Наблюдения проводились от 5 час. утра до 9 час. вечера в специальном
садке (фиг. 9), выход из которого всегда был направлен к южному магнит-
ному полюсу. Улитки выползали на круглую симметричную относительно
оси площадку, где были устранены все факторы, могущие служить ориен-
тирами. Регистрировался сектор, в который приползали улитки.
Эксперименты (в каждом из них испытывалась группа из 10 улиток)
проводились при трех различных условиях: 1) при действии магнитного
поля Земли; 2) при действии искусственного магнитного поля, создаваемого
горизонтальным магнитным стержнем, расположенным под круглой пло-
щадкой перпендикулярно оси коридора; 3) то же, но магнитный стержень
расположен параллельно оси коридора. Величина искусственного магнитно-
го поля лишь в 9 раз превосходила магнитное поле Земли.
Было установлено, что в среднем (по данным двухмесячных наблюде-
ний) направление движения улиток определенным образом связано со вре-
116
Ф. Браун
менем солнечных суток (кривая I на фиг. 10, Л). В 5 час. утра почти все
улитки ползли преимущественно прямо [251; затем до полудня траектории
их склонялись все больше и больше влево. После полудня число улиток,
ползущих преимущественно влево, постепенно уменьшалось и достигало
второго минимума примерно в 19 час. Можно отметить также наличие
заметной периодичности, коррелирующей с лунными сутками (кривая II
Фиг. 10. Изменение среднего направления движения улиток в магнитном поле
Земли (Л) и в искусственном магнитном поле того же направления напряженностью
1,5 гс (Б) в разное время солнечных и лунных суток.
А — по оси ординат откладывается доля от общего числа подопытных улиток, уклонившихся
в определенной степени от направления ''поля. (Вычисляется как —дГ~ > гДе 1 “ номер сектора
прибора, изображенного на фиг. 9, nj — число улиток, попавших в данный сектор, N — общее
число улиток в опыте.—Ped.) I — зависимость от времени солнечных суток; II — зависимость от
времени лунных суток. Б — среднее отклонение (вправо или влево) от направления поля
траекторий улиток в магнитном поле Земли (7) и в искусственном магнитном поле (//) в разное
время солнечных суток.
в области малых колебаний эти циклы зеркальны. При восходе Солнца
или Луны улитки двигались преимущественно прямо или даже несколько
предпочитали правую сторону. Что касается лунных суток, то наиболь-
шее число улиток ползло в левую сторону, когда Луна была в надире; с поя-
влением Луны над горизонтом траектория их движения быстро выпрямлялась.
При сравнении поведения улиток в искусственном, более сильном
магнитном поле с их поведением в магнитном поле Земли было обнаружено,
что в искусственных условиях проявляются те же тенденции, но еще более
ярко. Если, например, определять тенденцию улиток контрольной группы
отклоняться от прямой линии (безразлично, вправо или влево), то можно
обнаружить корреляцию с суточным ритмом (фиг. 10, £). Минимум откло-
нений приходится на 5—6 час. утра и 5—7 час. вечера. Кривые, приведен-
ные на фиг. 10, Б, показывают, что искусственное магнитное поле выпрям-
ляет траекторию движения улиток в период, когда в магнитном поле Земли
наблюдается минимум отклонений, и увеличивает отклонение в период,
когда в естественных условиях оно максимально.
Улитки, находящиеся в этих постоянных условиях, в среднем ползут
прямо или даже несколько отклоняются вправо в период восхода Солнца
Геофизические факторы и проблема биологических часов
117
или Луны, причем создается впечатление, что эти два события для них при-
мерно эквивалентны. Увеличение напряженности магнитного поля усили-
вает любые тенденции в поведении улиток, характерные для данного времени.
Мы попытались решить еще один вопрос о поведении улиток в магнит-
ном поле: могут ли они определять направление горизонтальной составляю-
щей этого поля? Другими словами, располагают ли они каким-либо устрой-
ством наподобие компаса? На этот вопрос мы также получили, безусловно,
положительный ответ.
Сравнив поведение улиток в различное время суток в искусственном
магнитном поле, силовые линии которого направлены вдоль их тела, с пове-
дением их в поле с перпендикулярно расположенными силовыми линиями,
мы обнаружили, что наблюдаемые различия могут быть сопоставлены
с часовыми углами Солнца (фиг. 11, Л) [27]. Сравнительная эффективность
двух ориентаций магнитного поля является очевидной функцией положения
Солнца. В общем можно сказать, что параллельное поле более эффективно
изменяет направление движения улиток в то время, когда Солнце высоко,
а перпендикулярное поле более эффективно ночью. При заходе и восходе
Солнца оба поля оказывают примерно равное действие.
Относительная эффективность различно ориентированных магнитных
полей зависит также от положения Луны (фиг. 11, Б). Из графика видно,
что параллельное поле сильнее изменяет движение улиток, когда Луна
стоит над горизонтом, а перпендикулярное поле — когда Луна находится
за горизонтом. При восходе и заходе Луны оба поля обладают примерно
одинаковой эффективностью.
Описанные выше соотношения показывают, что животные по крайней
мере одного вида умеют определять направление горизонтальной составляю-
щей магнитного поля, т. е. обладают магнитным «компасом». Система,
воспринимающая сигналы магнитного поля, ведет себя так, как будто
она состоит из двух частей: одна приспособлена для солнечных суток,
другая — для лунных.
Мы вправе были ожидать, что воздействие магнитного поля на улиток
будет испытывать модуляции, связанные с положением Луны на небе.
На фиг. 12 изображена зависимость среднего эффекта воздействия экспери-
ментального магнитного поля (безотносительно к направлению поля)
от времени, соответствующего положениям Луны, отличающимся на ± 90°
от новой Луны и полной Луны. Пунктирные линии соединяют 8 точек через
45°, охватывая весь интервал 360° синодического месяца. В общем непосред-
ственно перед новолунием и полнолунием экспериментальное магнитное
поле сильнее изменяет траекторию движения улиток в правую сторону,
а непосредственно перед первой и третьей четвертями Луны больше сказы-
вается левовращающая тенденция поля. Из этого следует, что в течение
той половины лунного месяца, которая следует за новолунием, эффект
магнитного поля существенно отличается от эффекта, наблюдаемого во вто-
рую половину лунного месяца. Среднее значение по двум половинам лун-
ного месяца (черные точки на фиг. 12), полученное на основании анализа
34 000 траекторий улиток, дает почти идеальную корреляцию (коэффициент
корреляции выше 0,999) для двух переменных.
В изученном нами магнитном эффекте исключительно четко проявляют-
ся наиболее общие и заметные биологические ритмы, а именно солнечный
и лунный ритмы, а также производный от них синодический ритм. Эти
эффекты указывают, с одной стороны, на наличие потенциально очень
важной рецепторной способности организмов, а с другой — на точность
внешней часовой системы, регулирующей жизнедеятельность организма.
118
Ф. Браун
Эти явления, которые мы пока не можем объяснить, еще раз показывают
нам, как велико наше невежество в вопросе о природе сил, действующих
на живые организмы.
Прежде чем оставить вопрос о влиянии магнитного поля, я хотел
бы обратить внимание на одно интересное обстоятельство. Поведение улиток
Фиг. 11.
А. Разность между влиянием на направление движения улиток искусствен-
ного магнитного поля, ориентированного с востока на запад (перпендику-
лярно длинной оси тела), и поля, ориентированного с юга на север (парал-
лельно оси тела) в зависимости от времени солнечных суток (ось ординат —
см. подпись к фиг. 10, А). Б. Разность между влиянием тех же искусствен-
ных магнитных полей на величину среднеквадратичного отклонения (диспер-
сию) направления движения улиток в зависимости от времени лунных
суток.
в искусственном магнитном поле, изученное нами в Массачусетсе, удиви-
тельно хорошо согласуется с данными о спонтанной двигательной активно-
сти шести белых мышей, полученными в Иллинойсе [23]. Наблюдение
за мышами проводилось в течение 5 месяцев, и этот период больше чем
на месяц перекрывается с периодом опытов с улитками. На фиг. 13 представ-
лен средний лунный цикл активности мышей, находящихся в магнитном
поле Земли, и лунный цикл поведения улиток, находящихся под влиянием
слабого искусственного магнитного поля. Если ввести поправки на местное
время, то оба цикла окажутся по существу подобными. Сходство формы
циклов заставляет предположить, что мы имеем здесь дело с чрезвычайно
широко распространенным в живой природе явлением. Совпадение фаз
ритмов указывает на наличие универсального определителя времени,
Геофизические факторы и проблема биологических Часов
119
благодаря чему одни и те же участки цикла синхронизированы, хотя живот-
ные находятся на разных долготах. К подобным же выводам мы пришли
на основании сравнения интенсивности потоков космического излучения
и интенсивности метаболизма у очень различных животных и растений.
В работе, которая готовится к печати, д-р Вебб и я приводим данные,
показывающие, что живые организмы очень чувствительны также к флук-
туациям электростатического поля, действие которого тоже некоторым
Фиг. 12. Изменение траектории улиток под влиянием увеличен-
ного в 10 раз магнитного поля (средний дневной эффект) как функ-
ция углового расстояния Луны от Солнца (от полнолуния (Л) или
от новолуния (Б)).
Сплошные кружочки показывают усредненный полумесячный цикл.
образом связано с биологическими часами. Как известно, в естественном
окружении организмов наблюдаются ритмические изменения электроста-
тических полей. Таким образом, оказывается, что живые организмы
способны измерять малые изменения таких геофизических факторов, как
слабое магнитное поле Земли и, возможно, электростатическое поле. Если
живые организмы обладают заметной чувствительностью к одному, а воз-
можно, и к двум подобным факторам, значение которых биологи до сих пор
игнорировали, то возможно, что изменения некоторых других планетарных
сил также будут оказывать влияние на их жизнедеятельность.
Обычно полагают, что периодичность очень глубоко заложена в живой
материи, поскольку она сохраняется всегда и передается из поколения
в поколение в таких лабораторных условиях, которые считают постоянны-
ми. В то же время скептики давно говорили, что экспериментатор не может
выдержать условия постоянными и что должны существовать какие-то
внешние синхронизаторы, действующие на организм. Эти сомнения скеп-
тиков целиком оправдались. Действительно, организмы, по-видимому,
никогда не находятся в постоянных условиях. Более того, мы не располагаем
данными, которые доказывали бы, что ритм сохранится, если мы каким-то
образом создадим условия, действительно постоянные для организма.
Поскольку неточность биологических часов до сих пор не доказана
и, как я уже отмечал ранее, все имеющиеся экспериментальные данные,
касающиеся различных свойств ритмов, в том числе и циркадных, можно
120
Ф. Браун
объяснить исходя из существования точной часовой системы, мы выдвигаем
в качестве одной из возможных гипотезу о наличии внешних часов. Мы пред-
полагаем, что, во-первых, часы идут непрерывно и, во-вторых, определитель
времени находится где-то вовне, как в солнечных и электрических часах
Фиг. 13. Сравнение лунного суточного цикла спонтанной двига-
тельной активности 6 белых мышей (кривая I, Иллинойс, 1959 г.,
наблюдения в течение 5 месяцев) и цикла чувствительности к ис-
кусственному магнитному полю у улиток (кривая II, Массачусетс).
ЦиклыдСовмещены с учетом разницы в местном времени.
(фиг. 14) [3, 4]. Вероятнее"всего, организмы не имеют внутренних часов;
они являются скорее «дублерами». Действительно, уже само существова-
ние описанной нами характерной внешней периодичности красноречиво
говорит в пользу этой гипотезы.
Вместе с тем, конечно, не исключено, что в дополнение к внешним
часам живые организмы, возможно, обладают довольно точной, полностью
автономной и независимой от температуры и фармакологических воздей-
ствий биохимической колебательной системой, характерные частоты которой
близки к естественным геофизическим частотам. Иными словами, возможно,
что в организме существуют также и внутренние часы. Но это еще спорный
вопрос, и его можно разрешить, лишь создав действительно непериоди-
ческие условия. Так как нами теперь установлено, что геофизические
циклические процессы всегда воздействуют на организм, и существует
простое объяснение вариабельности циркадных ритмов, основанное на этом
представлении, то, согласно принципу экономии мышления, постулировать
наличие некоторого независимого внутренного часового механизма совер-
шенно не требуется, тем более что удовлетворительной схемы биологических
механизмов отсчета времени до сих пор не существует.
Живые организмы живут в условиях ритмических изменений геофизи-
ческих параметров в течение многих миллионов лет. Можно ожидать, что-
на протяжении этого времени у них выработались физиологические приспо-
собления, которые помогают им наилучшим образом согласоваться с этими
Геофизические факторы и проблема биологических часов
121
геофизическими периодами в определенном диапазоне оптимальной темпе-
ратуры. И так как организм всегда располагает информацией об этих гео-
физических периодах, ему нет необходимости вырабатывать свою автоном-
ную систему точного отсчета времени.
Имеются веские основания считать, что живые организмы вполне
полагаются на этот зависящий от геофизических факторов часовой механизм»
Фиг. 14. Схема внешних биологических часов.
Наблюдаемые ритмы находятся в совершенно определенных фазовых соотно-
шениях друг с другом и с часами. Эти фазовые соотношения восстанавлива-
ются после нарушения. Посредством температурных и световых воздействий
можно перевести систему в другие фазовые соотношения с внешним циклом.
Поскольку организм представляет собой, по-видимому, такую тонко урав-
новешенную систему, которая может улавливать малые флуктуации как
известных, так и неизвестных геофизических факторов, возникает вопрос,
насколько существен весь этот комплекс геофизических факторов для
самой жизни. Если живые существа приспособились использовать некото-
рые из этих факторов для ориентации во времени и пространстве, то каковы
пределы изменения геофизического антуража жизни, в которых общая
картина жизни на нашей планете не нарушалась бы?
ЛИТЕРАТУРА
1. W е b b Н. М., Diurnal variations in response to light in the fiddler crab Uca, Phy-
siol. Zool., 23, 316—337 (1950).
2. Step hens G. C., Influence of temperature fluctuations on the diurnal melano-
phore rhythm of the fiddler crab Uca, Physiol. Zool., 30, 55—69 (1957).
3. W e b b H. M., Brown F. A., Jr., Timing long-cycle physiological rhythms,
Physiol. Rev., 39, 127—161 (1959).
4. В г о w n F. A., Jr., Living clocks, Science, 130, 1535—1544 (1959).
5. R a 1 p h C. L., Modifications of activity rhythms of Periplaneta americana (L.)
induced by carbon dioxide and nitrogen, Physiol. Zool., 32, 57—62 (1959).
6. Menaker W., Men a k er A., Lunar periodicity in human reproduction
a likely unit of biological time, Amer. Jour. Obst. and Gyn., 77, 905—917
(1959).
7. Brown F. A., Jr., Persistent activity rhythms in the oyster, Amer. Jour. Physiol.>
178, 510—514 (1954).
122
Ф. Браун
8. Bennett М. F., В г о w n F. A., Jr., Phasing of therhytms of running activity
of the fiddler crab, Biol. Bull., 117, 404 (1959).
9. В г о w n F. A., Jr., A simple automatic, continuous-recording respirometer, Rev.
Sci. Instr., 25, 415—417 (1954).
10. В г о w n F. A., Jr., Response of a living organism, under «constant conditions»
including pressure, to a barometric pressure-correlated, cyclic external variable,
Biol. Bull., 112, 288—304 (1957).
11. Brown F. A., Jr., An exogenous reference-clock for persistent, temperature-
independent, labile biological rhythms, Biol. Bull., 115, 81 —100 (1958).
12. W e b b H. M., Brown F. A., Jr., The repetition of pettern in the respiration
of Uca pugnax, Biol. Bull., 115, 303—318 -(1958).
13. В e n n e t t M. F., Shriner J., Brown F. A., Persistent tidal cycles of
spontaneous motor activity in the fiddler crab Uca pugnax, Biol. Bull., 112,
267—275 (1957).
14. Brett W. J., W e b b H. M., Brown F. A., Jr., Contribution of locomotion
to the oxygen-consumption rhythms in Uca pugnax, Biol. Bull., 117, 405
(1959).
15. Brown F. A., Jr., S h r i n e r J., R a 1 p h C. L., Solar and lunar rhythmicity
in the rat in «constant conditions» and the mechanism of physiological time mea-
surement, Amer. Jour. Physiol., 184, 491—496 (1956).
16. В г о w n F. A., Jr., Debendetti Terracini E., Exogenous timing
of rat spontaneus activity periods, Proc. Soc. Exp. Biol. Med., 101, 457—460
(1959).
17. В e n n e t t M. F., The rhythmic activity of the quahog, Venus mercenaria, and
its modification by light, Biol. Bull., 107, 174—191 (1954).
18. Palincsar J. Shriner, Periodisms in amount of spontaneous activity
in the quahog Venus mercenaria (Doctoral dissertation, Northwestern University),
1958.
19. В г о w n F. A., Jr., Webb H. M., Brett W. J., Exogenous timing of solar
and lunar periodisms in metabolism of the mud snail, Ilyanassa (-Nassarius) obso-
leta, in laboratory constant conditions, Gunma Jour. Med. Sci., 8, 233—242
(1959).
20. Ralph C. L., Persistent rhythms of activity and O2-consumption in the Ear-
thworm, Physiol. Zool., 30, 41—55 (1957).
21. Guyselman J. B., Solar and lunar rhythms of locomotor activity in the cray-
fish Cambarus virilis, Physiol. Zool., 30, 70—87 (195*7).
22. Brown F. A., Jr., Webb H. M., Bennett M. F., S a n d e e n M. I.,
Evidence for an exogenous contribution to persistent diurnal and lunar rhythmi-
city under so-called constant conditions, Biol. Bull., 109, 238—254 (1955).
’23. Terracini E., Debendetti, Brown F. A., Jr. (unpublished).
24. Brown F. A., Jr., W e b b H. M., Bennett M. F., Comparisons of some fluc-
tuations in cosmic radiation and organismic activity during 1954, 1955 and 1956,
Amer. Jour. Physiol., 195, 237—243 (1958). /
25. Brown F. A., Jr., В r e t t W. J., В e n n e t t M. F., В a r n w e 1 1 F. H.,
Magnetic response of an organism and its solar relation-ships, Biol. Bull., 118,
367—381 (1960).
26. Brown F. A., Jr., Webb H. M., Brett W. J., Magnetic response of an orga-
nism and its lunar relationships, Biol. Bull., 118, 382—392 (1960).
27. Brown F. A., Jr., Bennett M. F., W e b b H. M., An organismic magnetic
compass response, Biol. Bull., 119, 65—74 (1960).
228. Webb H. M., Brown F. A., Jr., Brett W. J., Effects of imposed electro-
static fields on rate of locomotion in Ilyanassa, Biol. Bull., 117, 430—431
(1959).
Геофизические факторы и проблема биологических часов
123
ОБСУЖДЕНИЕ ДОКЛАДА
Бюннинг. У некоторых растений, выращенных в условиях непре-
рывного освещения или постоянной темноты и при постоянной температуре,
не наблюдается ничего похожего на суточные периодические процессы.
Таким образом, в этих условиях нельзя предположить действия какого-
либо неизвестного внешнего фактора. При воздействии единичного стимула
на растения, выращиваемые в таких условиях, возникают колебания, фазы
которых зависят (настолько точно, насколько мы можем их измерить)
от времени действия этого единичного стимулирующего сигнала и от длины
периода, обусловленной генетически. Таким образом, в этих случаях я не
вижу необходимости искать какой-то внешний неизвестный фактор. Более
того, действие такого внешнего неизвестного фактора, по-видимому, вообще
сомнительно, поскольку известно, что генетически обусловленные длины
периодов могут варьировать от 20 до 30 час. Конечно, отсутствие данных
о роли дополнительных неизвестных факторов в одних случаях не исклю-
чает того, что в других случаях эти факторы могут влиять на эндогенную
периодичность.
Браун. Как я указывал в некоторых последних работах, существо-
вание ритмов с периодами от 20 до 30 час можно объяснить прежде всего
тем, что под влиянием внешнего сигнала, повторяющегося с периодич-
ностью 24 час, в организме возникает ритм некоторой другой частоты (то, что
я называл фазовой автоподстройкой). Последнее есть не что иное, как есте-
ственное следствие того, что некоторые внешние факторы (свет и темпера-
тура) играют роль определителей времени и могут вызвать сдвиг фазы эндо-
генного ритма. Отклонения длины периода эндогенного ритма от 24 час
следует рассматривать как результат регулярного сдвига фазы между этим
ритмом и внешним периодическим процессом. Уже одно то, что длины перио-
дов колеблются в пределах от 20 до 30 час, подтверждает эту точку зрения,
поскольку наибольшие сдвиги фазы, вызываемые изменением интенсив-
ности света в пределах одного цикла, как раз и составляют обычно 3—6 час.
Индивидуальные различия в длинах периодов при постоянных условиях
и часто даже изменение длины периода с течением времени можно предста-
вить себе как результат различий в способностях организмов отвечать
на данный неизменный комплекс внешних условий. С этой точки зрения
сразу становится понятной одинаковая роль температуры и света в опре-
делении частоты ритма, а также относительная неизменность ритмов при
фармакологических воздействиях и небольших колебаниях температуры.
Хамнер. Я думаю, что смогу предложить экспериментальный под-
ход, который даст ответ на обсуждаемый вопрос.'Около трех лет назад
у одного из моих учеников, д-ра Финна, и у меня возникла идея, что враще-
ние Земли вокруг своей оси можно рассматривать как меняющийся фактор
внешней среды. Если бы организм каким-то образом мог воспринять или из-
мерить вращение Земли, он имел бы очень точные часы. Например, допустим,
что организм постоянно подвергается действию излучения, испускаемого
из определенной точки пространства. Из-за вращения Земли направление
этого излучения будет все время изменяться. Таким образом, измеряя напра-
вление излучения по отношению к направлению силы тяжести, организм
мог бы точно судить о времени. Я говорю об излучении в качестве примера,
а вовсе не предполагаю, что оно действительно испускается из какой-то
точки пространства. Опираясь на такой постулат, мы поставили предвари-
тельные эксперименты, в которых растения располагали горизонтально
124
Ф. Браун
и вращали таким образом, что направление силы тяжести по отношению
к растению постоянно менялось, т. е. сила тяжести по существу исключалась
как неизменный фактор. Наши предварительные результаты показывают,
что такие растения, по-видимому, теряют свою способность чувствовать
время, поскольку ритмические движения листьев сейчас же исчезают.
Конечно, на основании этих предварительных результатов нельзя еще делать
окончательные выводы.
В январе 1960 г. мы представили Национальному научному фонду
проект, который предусматривал проведение работ в районе Южного полюса
Земли. Предполагается поместить на вращающийся стол около полюса
организмы, обладающие эндогенными ритмами. Стол должен вращаться
со скоростью один оборот за 24 час в сторону, противоположную вращению
Земли, так что организмы будут оставаться в строго фиксированном поло-
жении в пространстве. Кроме того, в полярных районах нет суточных изме-
нений в окружающей среде, что исключает влияние вращения Земли как
возможного определителя времени. Если организмы потеряют свое чувства
времени, это будет служить доказательством того, что они каким-то образом
«осведомлены» о вращении Земли. Если же ритмы у этих организмов не изме-
нятся, то это будет означать, что организмы не чувствуют земного вращения
и что часы, вероятно, контролируются каким-то эндогенным механизмом.
Такие столики можно вращать с различными скоростями как в сторону
вращения Земли, так и в противоположную. Мне кажется, что такие экспе-
рименты сыграли бы решающую роль в нашем понимании «биологиче-
ских часов».
Браун. Предложение проф. Хамнера, несомненно, очень интересно.
Особенно показательными были бы положительные результаты. Но я бы
хотел предостеречь его от неправильной интерпретации отрицательных
результатов, поскольку в этих экспериментах всегда нужно учитывать,
например, сложное суточное движение магнитных полюсов относительно
географических.
Г астинг с. Если изменить полярность магнита, то следует ожидать
возникновения зеркального эффекта, который можно измерить. Делали ли
вы подобные эксперименты?
Браун. Мы как раз предполагали провести подобные эксперименты
этим летом. До сих пор наши силы были направлены на решение основного
вопроса: могут ли живые организмы реагировать на такие слабые изменения
напряженности магнитного поля, которые по порядку величины сравнимы
с изменениями магнитного поля Земли?
Кеннеди. Поскольку механизм реакции нейронов и рецепторных
клеток на магнитное поле не известен, эти эффекты озадачивают меня.
Не могли бы вы объяснить, во-первых, детали экспериментов с магнитными
полями и, во-вторых, где находится предполагаемый центр чувствитель-
ности к магнитному полю.
Браун. Д-р Кеннеди, безусловно, понимает, что естественной
является такая последовательность: первоначально мы открываем феномен
воздействия некоторой силы на объект, и лишь затем изучаем механизм
этого воздействия. Ясно, что если явление действительно существует,
то механизм его должен быть в конце концов найден. Но ведь относительно
механизма возбуждения рецепторных клеток в различных органах чувств,
например в органах обоняния, мы до сих пор, после многолетних исследова-
ний, можем высказывать лишь догадки. Отвечаю сначала на второй вопрос:
можно было бы предположить, что чувствительностью к магнитному полю
обладает каждая клетка тела и что организм каким-то образом использует
Геофизические факторы и проблема биологических часов
125
получаемую от клеток информацию. По поводу первого вопроса я могу
повторить, что мы сравнивали траектории улиток в магнитном поле Земли
и в искусственном магнитном поле того же направления, превосходящем
земное всего лишь в 9—10 раз. Каждой точке соответствует 10 единичных
определений, требующих порядка 5 мин каждый.
С и р о х и. Д-р Браун, вы показали, что при ваших «постоянных
условиях» существует корреляция между внешними флуктуациями в окру-
жающей среде (давление, температура и др.) и ритмическим поведением
организма. По вашему мнению, это доказывает, что при «постоянных усло-
виях» к организму поступают сигналы от внешних факторов (давление
и др.). Однако мы можем считать, что при таких условиях ритм организма
подвергается затягиванию внешними флуктуациями. Мы знаем также, что
некоторые из ритмов, которые вы изучали, не находятся в постоянных фазо-
вых соотношениях ни с одним из внешних периодических процессов, так
как фаза этих ритмов может быть произвольно сдвинута при действии соот-
ветствующего светового сигнала. Если фазу ритма этих организмов при
помощи светового сигнала сместить и затем поместить организм в «постоян-
ные условия», то какое, по вашему мнению, влияние должны оказывать
внешние циклы на ритм в этих постоянных условиях?
Браун. При этих условиях внешние флуктуации будут лишь опре-
делять длину периода. Основная функция внешнего датчика времени
сосооит в том, что он обеспечивает регулярные периодические сигналы
стабильной частоты.
Солбергер. 1. Экспериментально установлено, что сильные маг-
нитные поля уменьшают число лейкоцитов в крови.
2. Лорелл, занимающийся вопросами космической биологии, уже давно
выдвинул предположение о том, что изменение окружающих организм
электростатических и электромагнитных полей может непосредственно воз-
действовать на нервные клетки.
Д. МЕРСЕР
Аналитические методы исследования
периодических процессов, замаскированных
случайными флуктуациями
о
ВВЕДЕНИЕ
Проявившийся за последние годы интерес к исследованию случайных
функций привел к пересмотру методов обнаружения периодичности. Такие
классические методы, как анализ Фурье и стандартные статистические
методы, оказываются удовлетворительными только для чисто периодиче-
ских функций. Если же периодический сигнал замаскирован случайными
компонентами, как это часто бывает в биологических процессах, то эффек-
тивность этих методов недостаточна. Однако здесь исключительно мощными
оказались методы новой отрасли знаний — «статистической теории связи».
Данная статья написана именно на основе этой теории.
С самого начала следует отметить, что, во-первых, в настоящей статье
не представляется возможным детально изложить всю процедуру анализа.
Значительно важнее выяснить основные принципы, области и границы при-
менимости этих методов. Если это сделано, то зачастую совсем простыми
математическими приемами удается получить желаемые результаты.
Во-вторых, здесь предпринята попытка сделать изложение возможно более
описательным с минимальным использованием математики. Это неизбежно
создает впечатление, что рассматриваемые методы недостаточно строги.
Однако вся работа базируется на строгой теоретической основе.
В первой части рассматривается природа периодических и случайных
функций. Во второй части описаны методы расчета и приведен пример,
иллюстрирующий основные принципы. Третья часть посвящена задаче
выделения сигнала электронной аппаратурой и с помощью других методов.
Наконец, некоторое внимание уделено тем случаям, в которых по раз-
ным причинам невозможен точный анализ, но все же могут быть сделаны
некоторые оценки.
I. ПРИРОДА ПЕРИОДИЧЕСКИХ И СЛУЧАЙНЫХ ФУНКЦИЙ
1. ПЕРИОДИЧЕСКИЕ ФУНКЦИИ
а. Синусоидальный сигнал
Основная периодическая функция — синусоида, так как она не может
быть разложена на более простые компоненты. Важно отметить с самого
начала, что чистая синусоидальная функция, которая действительно имеет
только одно значение частоты, должна быть определена на бесконечном вре-
Аналитические методы исследования периодических процессов 127
меннбм интервале. Если же она существует в течение конечного времени Т,
то нельзя говорить, что частота функции равна а. Такой функции соответ-
ствует полоса частот Доопределяемая равенством ТА/ = 1.Это положение
может показаться слишком абстрактным, однако, как будет показано, оно
имеет для нас принципиальное значение. Оно будет использовано в следую-
щем виде: мы будем предполагать, что спектр любой функции, определенной
на времецнбм интервале длиной Т, может быть разложен на «элементарные
полосы частот» шириной , а более тонкий анализ невозможен [1].
(Заметим, что, по крайней мере эвристически, это может оказаться неспра-
ведливым для явных периодичностей.)
Синусоидальные функции характеризуются частотой, т. е. величиной,
обратной периоду повторения, а также либо амплитудой (максимальным
отклонением от нуля), либо корнем из среднеквадратичного значения этой
функции. Как будет видно в дальнейшем, сравнивать синусоиду с другими,
функциями удобнее по последнему параметру.
б. Периодические функции
Многие истинно периодические функции не являются синусоидальными.
Они, однако, могут быть представлены в виде суммы синусоид на основании
теоремы Фурье, которую для наших целей можно сформулировать следую-
щим образом: «Любую периодическую функцию с периодом Т (т. е. часто-
той *) можно представить в виде суммы синусоидальных составляющих
Фиг. 1. Периодическая функция (внизу) и составляющие
ее гармоники.
12 3
с частотами , ^. . .»Например, нафиг. 1 показаны составляющие
гармоники для функции сложной формы.
Изложим вкратце основной метод нахождения составляющих. Функция
умножается на синусоиду единичной амплитуды. Можно показать, что сред-
нее значение произведения двух синусоид по всем периодам всегда равно
<128
Д. Мерсер
нулю, если только эти две синусоиды имеют один и тот же период. Мате-
матически это можно записать следующим образом;
1 . . , | =
75— \ sinmx-sinпх-ах = {
2я J [ 0 (т^п).
Если исследуемая синусоида не в фазе с составляющей, то среднее значение
отлично от 1. Однако усреднение произведения исследуемой синусоиды
на косинус также отлично от нуля лишь в случае равенства частот; эти
результаты усреднения произведений исследуемой функции на синус
и косинус можно использовать для определения амплитуды и фазы соста-
вляющих, после чего анализ полностью закончен.
Такое разложение на гармоники часто оказывается очень удобным
при изучении периодических явлений. Иногда встает вопрос о том, насколько
«реальны» эти составляющие. Здесь все зависит от точки зрения. В одних
случаях бывает существенна действительная форма функции, так как она
несет физическую или биологическую информацию (например, релаксацион-
ные колебания), и дальнейший анализ этой функции не нужен. В других
случаях можно считать, что высокочастотные компоненты существуют
независимо, объясняя, таким образом, такие свойства функции, как мелкая
«рябь» или «острые углы» и т. д., наличием этих высокочастотных компонент;
и если такая функция исследуется каким-либо методом, игнорирующим
высокие частоты, эти свойства функции исчезают. Здесь дело обстоит
так же, как и с потерей выразительности игры ударных музыкальных инстру-
ментов при передаче по радио с ограниченным сверху частотным диапазоном.
в. Понятие спектра
Анализ Фурье совершенно естественно приводит к очень полезному
понятию спектра в качестве характеристики функции. На фиг. 2 представ-
лена зависимость амплитуд гармоник ряда Фурье дляфункции, изображенной
Фиг. 2. Амплитудный спектр функции, изображенной на фиг. 1.
на фиг. 1, от их частот. Так как эти гармоники являются синусоидальными
и имеют единственное значение частоты, получившийся спектр оказы-
вается линейчатым. Это понятие заимствовано из техники связи; оно при-
ложимо, например, к анализу флуктуирующих токов в катушке громкогово-
рителя при воспроизведении незатухающего звучания музыкального инстру-
мента. Еще более удобно откладывать по ординате не амплитуду, а мощность
аналогично мощности, выделяемой током данной частоты. Такая замена
приводит, во-первых, к тому, что величина каждой ординаты теперь про-
Аналитические методы исследования периодических процессов
129
порциональна квадрату амплитуды, а во-вторых, к утрате всей информации
о фазе. Преимущество такого представления станет очевидным при рассмо-
трении случайных функций.
2. СЛУЧАЙНЫЕ ФУНКЦИИ
а. Описание случайных функций
Периодическая функция полностью определена, если известно ее пове-
дение хотя бы в одном полном периоде. Вид случайных функций, о которых
пойдет речь, не может быть установлен по их поведению на каком-либо
участке. Их можно охарактеризовать только с помощью средних значений.
Наиболее полезными для наших целей являются следующие характери-
стики: 1) среднее значение, или постоянная составляющая функции; 2) дис-
персия, описывающая ее полную мощность, и 3) распределение мощности,
или спектральная плотность.
Среднее значение (1) почти всегда для простоты расчетов полагают рав-
ным нулю. Дисперсия, о которой говорится в пункте (2), есть квадрат стан-
дартного отклонения (его можно сравнить со среднеквадратичным откло-
нением для синусоидальной функции); дисперсия и мощность — взаимо-
заменяемые термины. Понятию (3) мы посвятим специальный раздел. Две
другие важные характеристики случайной функции — ее стационарность
и функция распределения — также должны быть рассмотрены особо.
б. Спектр случайной функции
Случайную функцию можно рассматривать как суперпозицию беско-
нечного числа синусоидальных функций, сколь угодно мало отличающихся
по частоте и с независимыми и случайными фазами. Таким образом, спектр
случайного процесса непрерывный в отличие от линейчатого спектра перио-
дических функций. (Так как о фазе в случайном процессе ничего не известно,
то в этом случае понятие спектральной плотности оказывается более полез-
ным, чем понятие амплитудного спектра.)
Однако в наших методах спектрального анализа непрерывные спектры
рассматриваются как эквивалентные линейчатым с достаточно близко рас-
положенными линиями. Расстояние между соседними линиями принимается
равным , где Т — длина записи. Это и есть элементарные полосы частот,
о которых мы говорили раньше. Спектр случайной функции может быть
равномерным, т. е. мощность функции может быть одинаковой на всех
частотах. В этом случае говорят, что это — «белый шум» (названный так
по аналогии с белым светом). В спектрах же других случайных функций
могут преобладать низкие или высокие частоты. Эти три вида спектров
и типичные реализации соответствующих функций показаны на фиг. 3.
Важный частный случай узкополосного спектра, показанный на фиг. 3, Г,
соответствует искаженной синусоидальной волне.
Низкочастотная граница спектра называется постоянной составляющей;
обычно ее полагают равной нулю. Верхняя граница определяется возмож-
ностями аппаратуры (например, на самописце с пером нельзя получить
компоненты с более высокой частотой, чем максимальная частота, с которой
может колебаться само перо). При дискретной регистрации с постоянным
интервалом между измерениями независимо от того, цифровая она или нет,
максимальная частота записи (так называемая частота Найквиста) равна
половине частоты, с которой производятся измерения. (Заметим, что эта
130
Д. Мерсер
частота не обязательно должна совпадать с максимальной частотой наблю-
даемого явления — к этому вопросу мы еще вернемся.) Здесь мы можем
только'отметить еще и следующее. Часто требуется знать величину ошибки,
получающейся при округлении членов ряда, без предварительного анализа.
/г2
Шум, вызываемый округлением до единиц размера h, имеет мощность .
Его спектр равномерный на всех частотах вплоть до частоты Найквиста.
Фиг. 3. Различные типы спектральных плотностей, соответст-
вующие различному характеру функций.
А — равномерный спектр; Б — преимущественно низкочастотный спектр;
В — преимущественно высокочастотный спектр; Г — узкополосный спектр.
Скажем, если имеется набор чисел со стандартным отклонением 10 (т. е. лежа-
щих в основном между гЕЗО)1, полная мощность шума будет равна 100.
„ 1
Если произвести округление до единиц, мощность шума уменьшится до »
это достаточно малая величина, чтобы ею можно было пренебречь.
в. Стационарность
Наши методы анализа пригодны только для функций, характеристики
которых не меняются во времени. Если, например, мы подозреваем, что коле-
бания постепенно затухают за время наблюдения, это не выявится методами
статистического анализа. Мы определим только средние значения величин
за все время наблюдения. Единственный подход к ситуациям такого рода
заключается в том, чтобы разделить функцию на две или более части и искать
1 Утроенное стандартное отклонение. - Прим. ред.
Аналитические методы исследования периодических процессов 131
среднее значение для каждой части в отдельности. Ниже описаны методы,
с помощью которых можно более или менее хорошо изолировать такие неста-
ционарные функции. При этом временная зависимость характеристик ста-
новится более заметной. Однако это еще не есть метод анализа.
В биологических исследованиях часто приходится сталкиваться с неста-
ционарными функциями; это обстоятельство наряду с малой длительностью
многих записей свидетельствует о необходимости проводить в этих случаях
особо тщательный анализ.
г. Распределение
Получить представление о распределении случайного процесса можно,
воспользовавшись фиг. 4, А. Предположим, что мы определили суммарное
время, в течение которого случайная величина находится в области (х + dx)r
для чего просуммировали выделенные жирными линиями интервалы на оси
Фиг. 4.
А — метод построения кривой распределения; Б — кривая распределени я
Гаусса.
времени. Если теперь изменять х и построить зависимость измеренного сум-
марного времени от х, то получится кривая распределения. Кривая для
наиболее важного класса распределений — гауссовых распределений —
показана на фиг. 4, Б; в этом случае форма кривой задается выражением
Р (х) dx~ е~х2 dx.
Здесь Р (х) — вероятность того, что значение функции лежит в интервале
между х и х + dx, или, в соответствии с фиг. 4, относительное время, в тече-
ние которого функция находится в этой области. Хотя теоретически это
означает, что имеется конечная вероятность сколь угодно большого значе-
ния функции, практически вероятность значения, равного утроенному стан-
дартному отклонению, так мала, что ею можно пренебречь.
Во всех дальнейших рассуждениях (и надо сказать, в большинстве ста-
тистических работ) предполагается, что все встречающиеся распределения
являются гауссовыми. И на самом деле, именно по этому закону распре-
делено значительное число физических величин. По «центральной предельной
теореме» сумма большого числа независимых случайных функций с любой
областью возможных значений также сходится к гауссовой случайной
132
Д. Мерсер
функции. Таким образом, можно ожидать, что многие случайные функции
окажутся практически мало отличающимися от гауссовых. Для не слишком
больших отклонений от гауссового распределения многие статистические
методы приводят лишь к незначительным ошибкам. Однако чаще всего
полезно предварительно исследовать случайную функцию тем же методом,
что и на фиг. 4, чтобы убедиться в том, что ее распределение не слишком
отклоняется от распределения Гаусса.
Следует отметить еще раз, что некоторые биологические процессы опи-
сываются функциями с необычным распределением, и на них следует обра-
щать специальное внимание при анализе (иногда приходится представлять
данные в ином виде, например использовать логарифмическую шкалу и т. д.).
д. Анализ случайных функций
Случайную функцию можно рассматривать как совокупность синусо-
идальных функций, и поэтому можно было бы ожидать, что в этом случае
будут пригодны методы анализа Фурье. Однако Бартлет [3] отметил, что
они весьма неудовлетворительны, так как статистическая ошибка каждой
оценки не может быть сделана меньше некоторой конечной величины неза-
висимо от времени наблюдения. Бартлет же впервые указал на метод авто-
корреляционного анализа — метод столь большого значения и общности,
что мы рассмотрим его особо в части II.
II . ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЕ МЕТОДЫ АНАЛИЗА
3. АВТОКОРРЕЛЯЦИОННЫЙ АНАЛИЗ
а. Случайные функции
Большую ценность для анализа случайных функций представляет
автокорреляционный метод. Сущность его состоит в том, чтобы, взяв функ-
цию, сдвинуть ее на время г и сравнить с исходной. На фиг. 5, А изображены
исходная и сдвинутая функции. Если перемножить соответствующие орди-
наты этих двух кривых во всех точках, то получится кривая, изображенная
на фиг. 5, Б (например, PQ = АВ-АС). Ее средний уровень за длительное
время называется автокорреляционной функцией (иногда функцией авто-
ковариации и т. д.) и является функцией времени сдвига г. Математически
автокорреляционная функция ср (г) функции / (Z) определяется следующим
образом:
т
<р (т) = Lim — f f (/) f (t — т) dt,
T 0
где т—сдвиг, a T—полное время наблюдения.
Типичная автокорреляционная функция показана на фиг. 5, В. Наи-
большего значения она достигает, когда кривые совпадают, т. е. при г = 0.
Для больших значений г величина <р стремится к 0 (кроме тех случаев, когда
у исследуемой случайной функции есть постоянная составляющая). Это
объясняется тем, что в силу случайности функции произведение двух орди-
нат (достаточно далеко отстоящих во времени) может быть с равной вероят-
ностью положительным и отрицательным; сумма большого числа таких
произведений будет стремиться к нулю.
Аналитические методы исследования периодических процессов
133
Точка, в которой ср обращается в нуль, имеет координату т, прибли-
женно равную , где А/ — ширина полосы частот случайной функции.
Фиг 5
А — исходная и сдвинутая функции, Б — результирующая кривая,
В —автокорреляционная функция
б. Периодические функции
Совсем по-другому обстоит дело в том случае, когда функция не случай-
ная, а периодическая. При этом, очевидно, <р тоже будет периодической
функцией, так как при смещении на один период мы получим функцию,
ничем не отличающуюся от исходной. Поэтому <р имеет тот же период (но не
обязательно ту же форму), что и исходная функция.
в. Случайные функции с периодическими составляющими
Если изучаемая функция содержит наряду с периодической случайную
компоненту (такую функцию будем в дальнейшем называть «смешанной»),
то автокорреляционный метод оказывается удобным для их разделения.
Так как <р суммы двух слагаемых равна сумме ср каждого из слагаемых,
то при достаточно больших сдвигах мы получим картину, изображенную
на фиг. 6. Таким образом, при выделении периодической компоненты может
быть использована автокорреляционная функция, у которой периодичность
видна непосредственно. Однако если периодическая функция имеет и негар-
монические частоты (не являющиеся целыми кратными низших), то могут
быть затруднения при интерпретации результата. Тем не менее по теореме
Винера [4] мы можем преобразовать автокорреляционную функцию в спек-
тральную плотность, умножая ее на последовательность косинусоидальных
функций. По тем же причинам, что и в случае ряда Фурье (стр. 127), резуль-
тирующее среднее будет отлично от нуля лишь в том случае, если в авто-
корреляционной функции есть гармоническая компонента, совпадающая
по частоте с одним из косинусов. (Фаза в подобных методах учитывается
134
Д. Мерсер
автоматически.) Перед преобразованием желательно «сгладить», или «взве-
сить», автокоррелограмму. Некоторые способы такого сглаживания описаны
Ф и г. 6. Автокорреляционная функция случайной функции
и периодическая компонента.
в литературе [5]. Способ, приведенный в работе Блекмана и Тьюки [11,
прост и пригоден для многих целей.
г. Интерпретация результатов
В данной статье не представляется возможным рассказать обо всех
автокорреляционных методах. Им посвящена работа Блекмана и Тьюки [1],
из которой заимствована большая часть результатов, приводимых ниже.
Вкратце корреляционный метод состоит в следующем. Предположим, что
с равными интервалами были произведены отсчеты х1г х2, . . ., хп.
1. Вводим поправку так, чтобы исключить постоянную и любые регу-
лярные составляющие.
2. Вычисляем суммы произведений вида
2 XiXi+j (д О, 1,2, .. ., т),
г=1
всего (т ф- 1) сумм. График изменения величины суммы в зависимости
от значения параметра / и называется авто коррелограммой. Если она обна-
руживает достаточно четкую периодичность, то ее можно использовать
непоср едствен но.
3. Автокорреляционную функцию подвергают преобразованию Фурье,
т. е. умножают на косинусы переменной частоты, сглаживают и вводят
последние поправки.' В результате получается спектральная плотность,
значение которой в каждой точке соответствует средней мощности в полосе
частот определенной ширины. Если одной из этих точек соответствует зна-
чительно большая мощность, чем соседним, это служит доказательством
периодичности. Рассмотрим вопрос о точности определения спектральной
плотности. Здесь следует отметить две тенденции:
а) желательно вычислять среднее значение спектральной плотности
по возможно более узкой полосе частот,
б) желательно, чтобы оценка этой плотности была как можно более
точной.
С точки зрения требования (а) разрешение по частоте приблизительно
равно величине, обратной максимальному сдвигу. Однако если пытаться
получить тонкое разрешение, используя большой сдвиг, то мы должны учи-
тывать влияние такого увеличения сдвига на точность оценки мощности
(пункт (б)). Чем больше отношение максимального сдвига к длине записи,
тем меньше статистическая достоверность результатов. Эту достоверность
можно оценивать с помощью переменной k — числа степеней свободы резуль-
тата — по аналогии с распределением %2 в статистике [6]. В то же время k
равно числу элементарных частотных полос, содержащихся в спектральной
Аналитические методы исследования периодических процессов
135
характеристике. Аналитически величину k можно выразить следующим
образом:
__ 2-Длина записи
Максимальный сдвиг
Роль k поясняется фиг. 7. Вероятность того, что наблюдаемое значение
величины с k степенями свободы лежит во внутренней области, очерченной
на фиг. 7 двумя кривыми, равна 90%. Так, для k = 10 наблюдаемая вели-
чина с вероятностью 90% лежит между 1,8 и 0,37 от ее истинного значения.
Такая надежность может быть удовлетворительной только в некоторых слу-
чаях. (Зависимость флуктуаций от k выражается значительно проще, если
2 34 6 10 20 40.60 100
Число степеней свободы к
Фиг. 7. График, иллюстрирующий роль k.
использовать логарифмическую, или децибельную, шкалу; но в данной
статье использование таких шкал представлялось нам нежелательным.)
Очевидно, что требования (а) и (б) удовлетворяются одновременно лишь
при большой длительности записи и большом числе расчетов. Поэтому
очевидно следующее фундаментальное положение теории спектрального
анализа: невозможно одновременно максимизировать разрешение по частоте,
достоверность результатов и простоту расчетов. Поэтому всегда, прежде
чем приступать к систематическому анализу, необходимо найти компромисс
между этими противоречивыми требованиями. Например, для обнаружения
единственной гармоники, замаскированной низкочастотным шумом, полезнее
строить надежные оценки по широкой полосе частот, чем множество заметно
разбросанных, но близко расположенных друг от друга узкополосных
оценок.
4. ВЗАИМНО-КОРРЕЛЯЦИОННЫЙ АНАЛИЗ
а. Синусоидальные функции
Автокорреляционная функция получается в результате последователь-
ности сравнений исследуемой функции с этой же функцией, сдвинутой во
времени. В том случае, когда исследуемая функция содержит периодическую
компоненту, крайне удобен метод анализа, основанный на использовании
136
Д. Мерсер
взаимно-корреляционных функций, получающихся в результате сравнения
данной функции с периодической функцией ожидаемой частоты (как и в методе
Фурье). Этот метод удобен тем, что вместо сравнения двух смешанных
функций, в каждой из которых периодичность замаскирована шумами,
производится сравнение с неискаженной периодической функцией. Иными
словами, мы получаем больше информации, так как больше информации
(ожидаемое значение периода) вкладываем. В этом же заключается и недо-
статок метода. В части I указывалось, что случайную функцию можно рас-
сматривать как совокупность синусоидальных функций или функций с эле-
ментарными частотными полосами. В методе, основанном на использовании
взаимно-корреляционных функций, выделяется одна из них; при этом суще-
ственно, сильно ли она отличается по мощности от соседних. Случаи, когда
только одна из частот имеет большую интенсивность, весьма редки. Прежде
чем рассматривать ее как истинную выделенную периодичность, следует
доказать, что она преобладает над соседними по частоте шумами. Основные
расчеты таковы. Предположим, что с интервалами А/ сделаны отсчеты
%о, xif х2, . . ., хп и требуется найти частоту /0. Вычисляем ряды
X = х0 • О д- Xi sin 2л/о (AZ) + х2 sin 2л/0 (2AZ) + ...
Y = х0 -1 + Xi cos л/о (^0 cos 2л/0 (2AZ) + ...
Мощность Р на этой частоте определяется выражением
Х2+У2
(2л)2 •
Сдвиг фазы 0 (сдвиг за счет разности между началом отсчета времени и нача-
лом синусоидальной функции) определяется из выражения
tge = r
Это результаты обычного анализа Фурье. Модификации предложенного-
метода и его практические применения будут рассмотрены в следующих
разделах.
б. Взаимно-корреляционная функция исследуемой функции
и последовательности единичных импульсов
Для указанных целей удобен также метод, основанный на вычислении
коэффициента взаимной корреляции исследуемой функции с последователь-
ностью единичных импульсов. Можно показать [7], что этот метод позволяет
выявить все процессы, имеющие ту же основную частоту, что и данная
последовательность, и сохранить форму функций и ее фазу.
Способ вычисления весьма прост. Если сделаны отсчеты xlt х2, х3,. . .,хп
и требуется выделить колебание с периодом, равным / интервалов между
отсчетами, вычисляют суммы
а1 — Х1 4' Xl±j “Т ^1+2; + • • •
а2 = Х2 + X2+j + X2+2j 4" • • •
aj = XJ + X2j 4" X3j + • • •
т. e. образуют суммы из значений отсчетов, производимых с интервалом,
равным искомому периоду.
Аналитические методы исследования периодических процессов
137
Положение меняется, если искомый период не кратен интервалу между
отсчетами. В этом случае можно поступать в соответствии с фиг. 8, где
показан предполагаемый период (здесь суперпозиция сумм отсчетов уже
неприменима). При этом на одну функцию будет приходиться больше точек,
но достоверность каждой точки будет меньше.
(Об этом методе мы говорим только для полноты изложения, но приме-
нять его следует с осторожностью и лишь в тех случаях, когда основную-
Ф и г. 8. Преобразование функции в случае, когда предполагае-
мый период не кратен интервалу между отсчетами.
роль играют частоты, близкие К верхней границе частот (^ А/). В этом
случае следует делать более частые отсчеты.)
в. Полоса пропускания при вычислении взаимно-корреляционных
функций
Типичные частотные характеристики преобразований, используемых
в обоих методах, использующих оба типа взаимно-корреляционных функций,
приведены на фиг. 9 (она справедлива для большого п', где п' — число
Фиг. 9. Частотная характеристика фильтра, вычисляющего
взаимно-корреляционную функцию.
полных периодов в интервале наблюдения Т). Форма кривой соответствует
, <sinr'\2 1
функции ( -у- ) , и ширина полосы между нулевыми значениями равна .
Таким образом, при однократном использовании этого метода выделяется
одна элементарная полоса частот.
Величина вторых максимумов составляет около 5% от величины
основного, что может привести к ошибке, если на них придется сильная
линия спектра. Величину вторых максимумов можно уменьшить, пропуская
предварительно исследуемую функцию через фильтр с определенной весовой
функцией. Одна из таких весовых функций (другие исследуются) имеет вид:
138
Д. Мерсер
11+0,11 cos (4,6^)} , где t—время. Тогда вместо ряда, приведенного
в разд. 4,а, используется ряд вида
X хо-О + [Xi sin2ji/o (Д/)] {1+0,11 cos ^4,6 41”)} +
+ • • • + [хп sin2n/0 (пД/)] |1 +0,11 cos (^4,6п -у-)}
и аналогичный ряд для Y.
При использовании единичных импульсов каждое значение хп умно-
жается на{1 + 0,11 cos ^4, 6/1 ’ где пРеДполагается> что все отсчеты
сделаны с интервалами ДЛ При этом ширина полосы пропускания увеличи-
вается приблизительно на 15%, что обычно несущественно. В то же время
при этом уменьшаются искажения за счет удвоения числа умножений. Так
как каждая операция выделяет одну элементарную полосу, то не следует
располагать предполагаемые частоты «испытываемой» функции чаще, чем
на расстоянии
___________т___________
Полное число полупериодов '
г. Стабильность оценок, полученных корреляционным методом
Для элементарной полосы частот [11 k = 2. Поэтому оценки мощности
шумов, полученные с помощью первого (автокорреляционного) метода,
очень неточны. С другой стороны, для периодической функции k ъ п'.
Если п' велико, то при отношении между оценкой средней мощности
в какой-либо элементарной полосе частот и оценками в соседних полосах
порядка 10 можно считать, что на эту полосу приходится истинная перио-
дическая составляющая. (Если несколько рядом лежащих оценок оказы-
ваются высокими, это свидетельствует о наличии периодичности в соседних
элементарных полосах.)
Может показаться, что k можно значительно увеличить, выбирая боль-
шее число точек отсчета. Однако, согласно теореме отсчетов, синусоидальная
функция определяется по двум точкам в каждом периоде. Точки можно рас-
полагать чаще, и в некоторых случаях это помогает уменьшить разброс,
связанный с использованием выборок недостаточно большого объема.
Однако слишком частые отсчеты бесполезны.
Прежде чем переходить ко второму из двух методов (взаимно-корреля-
ционному анализу), рассмотрим разницу между ними. Первый метод позво-
ляет определить два числа, а следовательно, оценить мощность и фазу каж-
дой компоненты (основной или одной из гармоник). Исходя из этого можно
построить истинную функцию путем суммирования отдельных компонент.
Второй метод позволяет непосредственно получить вид функции, однако
в этом случае больше разброс и более трудна интерпретация полученных
результатов — это цена, которую мы платим за упрощение вычислений.
Разброс результатов, полученных по методу единичных импульсов, можно
оценить следующим образом. Если рассматривается синусоидальная функ-
ция с дисперсией S, смешанная со случайной компонентой дисперсии Nt,
то дисперсия случайной компоненты взаимно-корреляционной функции
для исследуемой функции и синусоиды с единичной амплитудой уменьшается
до N %, где
S п’
s
Аналитические методы исследования периодических процессов 139
здесь п' — число точек, использованных при получении результата. Полу-
ченная дисперсия равна S + N2, в то время как исходная была равна
S + Nt. Во многих случаях можно считать, что и -- достаточно
велики. Тогда хорошее приближение для числа степеней свободы k дает
следующая формула:
Дисперсия результата М2
Дисперсия исходного сигнала N±
Для параметров, при которых k > 10, это приближение удовлетворительно.
В заключение заметим, что в любом корреляционном методе желательно
исключить медленные не интересующие нас колебания одним из способов,
описанных в разд. 6.
д. Взаимно-корреляционная функция периодических процессов
Бывают случаи, когда необходимо найти связь между наблюдаемым
явлением и некоторым внешним процессом, например суточными колеба-
ниями температуры воздуха. Это можно сделать тем же методом, что и при
вычислении автокорреляционной функции, но с двумя сигналами, сдвигая
во времени один из них. В этом случае взаимно-корреляционная функция
оказывается равной преобразованию Фурье от взаимного спектра,
т. е. спектра, общего для обоих процессов. Если в обоих процессах встре-
чается одинаковая периодическая компонента, то это проявится на коррело-
грамме. Одно из достоинств метода заключается в возможности установле-
ния фазовых соотношений гармоник, что весьма ценно.
Такой метод дает в принципе больше информации, чем непосредственное
исследование периодичности. В приведенном примере суточные колебания
температуры воздуха могут значительно изменяться ото дня ко дню и резуль-
тирующая периодичность может проявляться очень слабо; но в методе,
использующем взаимно-корреляционные функции, малые отклонения, соот-
ветствующие малым изменениям в течение суток, учитываются с большим
весом и, таким образом, соответствующая связь проявляется более четко.
(Однако присутствие значительных флуктуаций означает, что «периодиче-
скому сигналу» соответствует не линия спектра, а узкая полоса, что при-
водит к появлению затухающей периодической компоненты на коррело-
грамме.)
5. ВЛИЯНИЕ ВЫБОРА ТОЧЕК ОТСЧЕТА
Рассмотрим теперь в общих чертах вопрос о выборе частоты отсчетов.
Основное в этом вопросе связано с явлением, названным Тьюки «aliasing»
Если отсчеты производятся через равные интервалы (фиг. 10, где отсчеты
помечены жирными точками), то, вообще говоря, существует бесконечное
число синусоид, которые можно провести через эти точки, и различить их
невозможно. (Аналогичная неопределенность существует при «остановке»
вращающегося диска с помощью стробирования.) Важно поэтому произво-
дить отсчеты настолько часто, чтобы не потерять наивысшую известную или
предполагаемую гармонику в изучаемом явлении. По теореме отсчетов для
этого нужно, чтобы частота отсчетов была вдвое больше максимальной
частоты наблюдаемого явления. Обычно отсчеты производят не вдвое,
а в несколько раз чаще, так как в некоторых случаях про высокочастотную
компоненту известно только, что она лежит в какой-то достаточно широкой
140
Д. Мерсер
полосе. В связи с этим объем используемых данных, очевидно, значительно
превосходит минимальный необходимый объем. Например, если нужно
обнаружить месячную периодичность при наличии строгой суточной перио-
дичности, необходимо производить отсчеты по нескольку раз в день. Поэтому
представляют интерес методы, позволяющие сократить объем вычислений.
Идеальным было бы, чтобы данные не записывались с большей частотой,
чем это требуется. Если предполагается, что колебания, скажем, выделения
Фиг. 10. Неоднозначность синусоиды, проходящей через фикси-
рованные точки.
а затем измерять каждые 6—8 час. Если измерять содержание СО2 каждый
час, то можно достигнуть того же эффекта, объединяя'полученные данные-
внутри каждого 6—8-часового интервала; однако очевидно, что значительная
часть времени, затраченная на сбор данных, будет при этом потрачена
впустую.
Отсюда естественно перейти к использованию метода скользящих сред-
них. Со спектральной точки зрения вычисление скользящего среднего экви-
валентно простой фильтрации исследуемой функции низкочастотным филь-
Ф и г.
11. Частотная характеристика преобразования, приводя-
скользящего среднего по трем отсчетам.
щего к вычислению
тром; частотная характеристика фильтра, осуществляющего вычисление
скользящего среднего по 3 отсчетам, показана на фиг. 11. Скользящее сред-
нее по двум отсчетам, берущимся с интервалом Д/, равно 0 при частоте
Взвешенные комбинации скользящих средних имеют аналогичные свой-
ства. Однако известно, что при вычислении скользящего среднего в сглажен-
ной функции появляется периодическая компонента, которая в случайной
функции отсутствовала (так называемый эффект Слуцкого — Юла). По этой,
а также и по другим причинам, хотя вычисление скользящего среднего
представляет ценность для уменьшения влияния высокочастотных компо-
нент, не следует целиком полагаться только на этот метод и забывать о разум-
ном планировании эксперимента. (Не забывайте, что статистические сообра-
Аналитические методы исследования периодических процессов 141
жения должны использоваться уже на стадии планирования, а не только
лри анализе.)
Очень хороший способ решения этой задачи заключается в том, чтобы
лредусмотреть ограничение по высокой частоте в самих измерительных
лриборах. Пусть, например, предполагается, что ритм изменения темпера-
туры крови характеризуется периодом порядка минуты и очень малой
.амплитудой. Колебаниями той же амплитуды могут характеризоваться
и другие параметры, скажем частота сердечных сокращений и дыхания;
поэтому, если использовать термопару из тонкой проволоки, может ока-
заться, что необходимо производить отсчеты чаще, чем раз в секунду. Если
же термопара изготовлена из более толстой проволоки или имеется метал-
лическая экранировка, так что информация поступает с задержкой порядка
нескольких секунд, высокочастотная энергия будет отфильтрована без
искажения низкочастотной части сигнала (т. е. не изменяя точность опреде-
ления постоянной составляющей) и можно ограничиться отсчетами через
20—30 сек.
Использование скользящих взвешенных средних для целей фильтрации
рассматривается ниже.
6. ПРИМЕР
Рассмотрим теперь близкий к предельному случай периодичности
с малой амплитудой и исследуем на нем все три предложенных ранее метода.
Если суть метода понятна, то его нетрудно использовать и для решения
любой другой задачи. Сравнение полученных результатов поможет устано-
вить, какой метод наиболее удобен в каждом конкретном случае.
Пусть, например, предполагается, что организм обладает такой перио-
дичностью с малой амплитудой, которая близка к его 24-часовому ритму,
и требуется выявить эту периодичность. Самое важное вначале — не делать
никаких предположений. Если на этом этапе искать какую-либо специфиче-
скую периодичность, результат может оказаться бессмысленным. Ведь нам
ничего не известно о форме спектра. Он может оказаться таким, как пока-
зано на фиг. 12. Тогда, очевидно, используя фильтр с частотной характери-
стикой, показанной на фиг. 12 пунктиром, для того чтобы оценить частоту
мы получим на выходе результат, не имеющий никакого отношения
к действительной мощности гармоники частоты f. И разумеется, так как
на выходе получается просто число, нет никаких способов найти ту основную
частоту, которая его определяет. Даже если удается установить вид перио-
дической функции, отсюда еще не следует достоверность определения
частоты: спектр функции, заданной на одном периоде, занимает целую полосу
частот (Т • = 1).
Во всяком случае, одно измерение может только выделить компоненту
случайного шума. Необходимо пользоваться абсолютно объективным мето-
дом определения спектра, а таким методом является только корреляцион-
ный метод.
Разделим для начала на 10 частей диапазон между предельными перио-
дами, равными 20 час и 30 час. Отсюда определяем разрешение по частоте
10 <20 30 J 600Час *
Чтобы добиться этого, максимальный сдвиг должен быть ’ равен около
600 час. Длительность наблюдения определяется числом степеней свободы,
которое необходимо получить. Если выбрать k = 10, то вероятность того.
142
Д. Мерсер
что оценка лежит внутри области от 0,4 до 1,9 от ее истинного значения,
равна 90/6. Такая точность может оказаться достаточной. Это значит, что
длина записи должна составлять около 3000 час, или 4 месяца. Если при-
нять, что частоты выше, чем 1/6 час~\ несущественны, можно снимать
отсчеты каждые 3 час. Таким образом, требуется произвести 1000 отсчетов
при 60 различных сдвигах, т. е. около 60 000 машинных операций умножения,
и еще некоторое относительно небольшое количество работы, необходимой
для построения спектра.
Проделав все это, мы можем установить, что существует еще и 25-часо-
вая гармоника с мощностью, составляющей около 1/20 от мощности 24-часо-
вой гармоники. Если воспользоваться теперь методом, основанным на вычис-
лении взаимно-корреляционной функции, то следует выбрать частотную
Фиг. 12. Типичный спектр.
характеристику фильтра так, чтобы в то время как центр спектра прихо-
дился на 25-часовой период, его первый минимум соответствовал бы 24-часо-
вому периоду; таким образом,
Ширина полосы = -^- = 2
т. е. Т = 300 час.
(Следует отметить, что при использовании такой укороченной записи
можно было бы оценить весь спектр с тем же разбиением по частотам;
однако разброс при этом был бы столь велик, что оценки практически не
имели бы ценности.)
Т
Величина k, определяемая как , приблизительно равна 12, т. е. очень
мала. Весьма полезно удвоить ее, используя Т — 600 час, если это не слишком
трудно.
Таким образом, с помощью этого метода можно получить дальнейшую
оценку мощности (и фазы). Однако одна операция такого рода не даст многого
по двум причинам: 1) 24-часовая периодичность может быть нечистой,
следовательно, ее спектр будет широким, и некоторые из ее компонент могут
выйти за полосу пропускания фильтра, осуществляющего вычисление
взаимно-корреляционной функции; 2) даже если это не так, почти наверняка
на этой частоте существует случайная компонента. Если есть еще по 2 отсчета
с каждой стороны, то можно решить, имеет ли место склон широкой «линии»
или это на самом деле пик на фоне шума.
Поэтому уменьшим ширину полосы пропускания до 1/5 от ее предыду-
щего значения. Для этого потребуется 3000 час записи и 5000 операций умно-
жения (10 000 операций, если использовать еще и весовую функцию).
Исходя из спектра в этой области, можно оценить поведение, помня, что
Аналитические методы исследования периодических процессов
143
любая случайная оценка может флуктуировать в пределах от 10 до 1 в 9 слу-
чаях из 10.
Если спектр содержит несколько гармоник, этот процесс придется
повторить для каждой из них (хотя мь! можем уменьшить Т для высоких
гармоник).
В некоторых случаях полезно вычислить коэффициент взаимной корре-
ляции с последовательностью единичных импульсов. Пусть Т = 600 час,
п' = 24; тогда, если оцениваемая мощность составляет 5% от полной,
k для каждой оценки будет равно 24/20. Это слишком низкое значение.
Чтобы k было равно 10, требуется 5000 час записи. Если, однако, отсчеты
производятся через 3 час, то на один период будет приходиться 24 точки;
для каждой из них k = 3. С их помощью можно вычислить средние на одном
периоде волны, что приводит к уменьшению дисперсии. Но в этом случае
полезнее почасовые отсчеты. Объем вычислений при взаимно-корреляцион-
ном анализе тем не менее относительно невелик: около 1600 операций умно-
жения (с весами) и примерно столько же операций сложения. Отметим, что
всегда полезно убрать, если это возможно, неинформативную высокую
частоту. Если в последнем примере именно такой гармоникой и объяснялась
часть «шума», ее подавление увеличит k или уменьшит полное время наблю-
дения. В этом случае, однако, 24- и 25-часовые периоды будут так близки,
что подавить 24-часовую периодичность одними лишь простыми способами
окажется невозможным.
III. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЭЛЕКТРОННЫХ ПРИБОРОВ
И ДРУГИХ АНАЛОГИЧНЫХ МЕТОДОВ
В этом разделе рассматриваются сигналы, которые могут быть получены
или записаны в непрерывной форме, а не в виде ряда чисел. Хотя иногда
бывает удобно снимать с этих кривых отсчеты и производить с ними вычисле-
ния по методам, описанным выше, можно также осуществлять непосред-
ственные измерения с помощью электронной или другой аппаратуры.
7. ИЗМЕНЕНИЕ ВРЕМЕННОЙ ШКАЛЫ
Многие биологические процессы имеют весьма большую протяженность
во времени. Хотя большинство электронных фильтров и анализаторов рас-
считано на процесс с частотами до 0,1 гц, обычно удобнее работать на часто-
тах в несколько сотен или тысяч герц. В этом частотном диапазоне требования
к усилителю менее жестки и слабо сказывается влияние сетевых помех.
Кроме того, немаловажно, что необходимая аппаратура производится
серийно. Преобразование частоты легко осуществить, записывая сигнал
на магнитную пленку при малой скорости и воспроизводя его на большой.
Преимущество данного метода состоит в том, что при этом сохраняется пра-
вильное соотношение между частотами гармоник. (Существуют методы моду-
ляции, позволяющие преобразовать изменения, слишком медленные для
обнаружения их обычными приборами, в колебания с желаемой частотой.
Однако при этом исходные колебания не изменяются; они делаются просто
более удобными для передачи. Из двух методов модуляции — амплитудной
и частотной — последний дает значительно большую точность.)
Далее, мы будем предполагать, что у нас имеется такая пленка с
записью чистых тонов звукового диапазона. Для таких записей известно
несколько способов обнаружения периодичности [11].
144
Д. Мерсер
8. АНАЛИЗ С ПОМОЩЬЮ ФИЛЬТРОВ
Фильтры бывают в основном двух типов: узкополосные и широкополос-
ные. К первым относятся гетеродинные фильтры, полоса которых может
достигать 5 гц и в большинстве случаев чрезмерно узка, а также фильтры
с полосой пропускания, составляющей определенную долю (например, 3%)
от средней частоты. Такой прибор (пропорциональный анализатор) значи-
тельно более удобен. С ним обычно используется интегральный индикатор.
При работе медленно поворачивают ручку регулировки частоты, проходя
весь диапазон, и наблюдают, при каких положениях появляются пики.
Ручка регулировки может приводиться в движение механически, и пока-
зания прибора записываются в виде кривой на движущейся диаграммной
ленте; таким образом, автоматически строится спектр. (Проблемы, возни-
кающие при этом, обсуждаются в части IV.) Фильтры другого типа имеют
дискретные полосы шириной в октаву или 1/3 октавы (отношение частот
равно соответственно 2 : 1 или 1,26 : 1) . Такие полосы пропускания обычно
слишком широки, чтобы выделить чистые тона из шума; однако эти приборы
обладают большим быстродействием и крайне удобны на первых стадиях
исследования.
Имеются приборы, содержащие ряд непрерывно перестраиваемых
высокочастотных и низкочастотных фильтров. В принципе их можно исполь-
зовать для выделения любой частоты, но на практике их избирательная
способность часто оказывается низкой, и применение их ограничено неко-
торыми специальными случаями. Поведение физических фильтров совер-
шенно аналогично поведению «математических». Полоса их пропускания
обладает конечной шириной, и на некоторых частотах граница полосы
(частота отсечки) выражена недостаточно резко, так что очень сильный
сигнал может просочиться сквозь фильтры, настроенные на совершенно
иную частоту. За этим необходимо следить.
9. ЭЛЕКТРОННЫЕ КОРРЕЛЯТОРЫ
Операции задержки (сдвига), умножения и усреднения могут быть
выполнены с помощью электронных приборов, и несколько таких корреля-
торов было изготовлено [12, 13]. Они бывают, в основном, двух типов:
цифровые, в которых сигнал заменяется серией импульсов, и аналоговые,
в которых происходит изменение напряжения со временем. Точность корре-
ляторов первого типа намного выше, так как импульсы можно задерживать,
считать и т. д. с очень небольшой ошибкой. В аналоговых корреляторах
в процессе задержки и умножения могут возникать серьезные ошибки, если
только эти приборы не выполнены с исключительной тщательностью. Иссле-
дование ошибок аналоговых корреляторов выполнено Гоффом [13].
С помощью корреляторов легко выявлять периодичности на низких
частотах при условии, что в них предусмотрена возможность больших
задержек. Корреляторы полезны также при вычислении взаимных спект-
ральных плотностей [14]. Однако взаимные спектральные плотности можно
строить и с помощью стандартных фильтров с некоторыми модифика-
циями [15].
10. КОРРЕЛЯТОРЫ С ЗАМКНУТОЙ ПЕТЛЕЙ МАГНИТНОЙ ПЛЕНКИ
Для записей конечной длительности часто бывает удобно использовать
кусок магнитной пленки, склеенный в петлю, и непрерывно пропускать
запись через фильтр. При этом образуется периодическая функция, основ-
Аналитические методы исследования периодических процессов
145
ная частота которой равна частоте обращения ленты, причем все гармоники
умножаются на эту частоту. Если искомая частота не совпадает точно
ни с одной из этих гармоник, то ее энергия делится между соседними гармо-
никами, что приводит к ошибке [16, 17]. На практике петли следует делать
достаточно длинными, чтобы их основная частота была мала по сравнению
с той частотой, на которую настроен фильтр. В этом случае ошибки пренебре-
жимо малы.
11. ИССЛЕДОВАНИЕ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТЕЙ ИМПУЛЬСОВ
Биологические сигналы часто имеют вид последовательности импульсов
(например, разряд нейрона). Существует множество способов сделать их
более удобными для использования в системах связи. В качестве примера
укажем следующие два способа:
1. Можно выбирать только те импульсы, которые следуют один за дру-
гим с равными интервалами (фиг. 13, 4). Если затем их подать на цепь,
a I IIIII I II I I 11,111_____________________________11.1 I 1111
г
t'
Фиг. 13.
А — периодические группы импульсов; Б — периодические импульсы, ампли-
туда которых лежит в заданных пределах.
растягивающую каждый импульс [18], то можно потом уже выделить перио-
дическую компоненту методом фильтрации.
2. Если периодичность обнаруживают лишь импульсы одинаковой
амплитуды (фиг. 13, Б), то последовательность импульсов подается на дискри-
минатор, рассчитанный лишь на импульсы, амплитуда которых лежит
в определенных пределах; последовательность импульсов на выходе дискри-
минатора можно также исследовать с помощью фильтрации.
12. ОПТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ АНАЛИЗА
Одним из возможных методов является съемка на фотопленку —
съемка не самой кривой с экрана осциллографа, а переменной плоит,ади или
яркости, как для звуковой дорожки. Такая пленка, освещенная монохрома-
тическим светом, действует как дифракционная решетка, образуя резкие
линии, если присутствует периодическая функция [19]. Метод, предложен-
ный Барбером [20], состоит в следующем: пленку оборачивают вокруг
махового колеса, которому сообщают ускорение и дают свободно вращаться.
Свет, проходя через пленку, падает на фотоэлемент, соединенный с резо-
нансным гальванометром. В тот момент, когда скорость колеса такова, что
146
Д. Мерсер
периодическая компонента на пленке модулирует свет с частотой, находя-
щейся в резонансе с частотой гальванометра, наблюдается большое откло-
нение. Меняя скорость вращения колеса, можно найти спектр.
IV. НЕЛИНЕЙНОСТИ И ДРУГИЕ ЯВЛЕНИЯ
Необходимо отметить, что в целом ряде случаев по разным причинам
прямые методы анализа не дают требуемых результатов — либо потому,
что данные недостаточно точны или не удовлетворяют необходимым усло-
виям (например, распределению Гаусса), либо в особенности потому, что
они не являются стационарными. В данном разделе будут рассмотрены
некоторые методы, которые, хотя и не приводят к точным результатам, могут,
однако, быть использованы при качественном анализе.
13. ФИЛЬТРАЦИЯ МЕТОДОМ «СКОЛЬЗЯЩЕГО СРЕДНЕГО»
Пусть имеется запись с заметной периодичностью, которую требуется
1) усилить, уменьшив влияние других частот (подобная задача возникает
при изучении медленных колебаний, записанных таким образом, что они
не могут быть исследованы методами, описанными выше), или, наоборот,
2) уменьшить или удалить упомянутую периодичность, чтобы получить
возможность исследовать записанную волну без преобладающей периодич-
ности.
Проще всего это сделать методом скользящих взвешенных средних.
Эти методы были подробно изучены Лабрустом [21], но некоторые из них
длинны и сложны. (С помощью этих методов можно было бы выполнить
значительную часть спектрального анализа, однако количество расчетов
оказывается при этом больше, чем в предыдущих случаях.)
Здесь будут использованы более простые методы. Если задана последо-
вательность отсчетов
Х|, -^3? • • • , Ху—Ху, Xr+j[, . . ., Хд,
снятых через равные промежутки времени А/, и требуется выделить частоту
/о (случай 1), можно заменить любое хг на
1 ХГ — 1 I у I )_ хг+1
3 cos 2nfQt т 3 cos 2nf0Z
При этом фаза остается неизменной. Напротив, если заменить хг на Xr+j~^-^. t
то сохранится частота у- (с фазовым сдвигом 90°), а частота, равная поло-
вине этой, будет подавлена.
Для случая 2 можно заменить хг на
ХГ — 1__у _|___ХГ+1
2 cos r ‘ 2cos2nf0Z
При этом подавляется частота /0. Используя замену хг на xr_j + xr+j-,
4/
можно подавить частоту .
В ряде работ [1, 21] приведены и другие весовые функции. Вообще
все эти методы эквивалентны использованию широкополосных фильтров
с характеристикой (1 + a cos 2л/оО2» и все они пропускают другие частоты
по тому же принципу, о котором мы уже говорили раньше. Однако для мно-
гих целей эти методы дают нужные результаты.
Аналитические методы исследования периодических процессов
147
14. НЕСТАБИЛЬНОСТЬ ЧАСТОТЫ
а. Нарушение периодичности
Случай нестабильной частоты особого типа был изучен Юлом [22],
который в качестве иллюстрации приводит колебания маятника под воздей-
ствием случайных импульсов (фиг. 14). Корреляционная функция такого
процесса имеет вид e~a/sin а не является периодической; величина a
зависит от характеристик случайных возмущений.
Существенное отличие этого случая от предыдущих состоит в том, что
никакая фильтрация шумов не даст истинной периодичности. Лучшее, что
можно сделать,— установить форму спектра (используя достаточно дли-
тельную запись),. Возможны случаи, когда периодическая функция предста-
вляет собой релаксационные колебания. Если они искажаются и запускаются
Фиг. 14. Колебания маятника под воздействием случайных
импульсов.
случайными флуктуациями, то может оказаться, что именно тот период
в невозмущенном состоянии, который требуется выявить, вообще не будет
присутствовать в записи. Здесь также было бы полезно детальное изучение
спектра.
В связи с этим стоит рассмотреть также следующий вопрос: если для
анализа необходима длительная запись, а возможно получить только
несколько коротких, то как их «сшивать» наилучшим образом? Если
считать, что внешние задающие ритмы отсутствуют, то единственный способ
заключается в продолжении одной записи другой. Если у них совместить
концы, получится тот же эффект, что и в проблеме Юла, описанной выше.
Пусть Р записей равной длины «сшиты» так, что образуют одну составную
запись. Тогда результирующая периодичность будет иметь мощность, в Р
раз большую, чем исходная (а не в Р2, как если бы все они были в фазе).
Информация о фазе будет утеряна, но это неизбежно в любом случае. б.
б. Функции с медленно меняющейся частотой
Для функций с медленно меняющейся или, по-другому, «качающейся»
частотой возникает такая же проблема фильтрации, как и в случае, рассма-
тривавшемся в работе Барбера [20]. Мерсер [23] рассчитал автокорреляцион-
ную функцию для такого сигнала и показал, что вычисление автокорреля-
ционной функции, выполненное подходящим образом, может дать больше
информации о параметрах сигнала, чем фильтрация.
Исследование функций с медленно меняющейся частотой с помощью
электронных приборов рассматривается в другой работе Барбера [24].
Если полоса фильтра слишком узка, фильтр будет «звенеть», давая мощные
пики. Если полоса слишком широка, утрачивается избирательность по отно-
шению к шуму. Оптимальное значение ширины полосы f1 приблизительно
равно скорости изменения частоты сигнала.
148
Д. Мерсер
15. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ НУЛЕЙ
Интересно посмотреть, что происходит со случайной функцией после
«идеального ограничения», т. е. после замены ее прямоугольной функцией
так, как это показано на фиг. 15. При этом вся информация об амплитуде
утрачивается и неизмененным остается только распределение нулей исход-
ной функции. Это распределение было подробно изучено в ряде работ
125, 26], и был получен неожиданный результат: точность обнаружения
периодической компоненты по распределению нулей лишь незначительно
уступает точности, достигаемой с помощью других методов. Такой подход
дает хорошие результаты в сочетании с корреляционными методами. Так как
ограниченная функция может принимать только два значения (+1 или —1),
то операции умножения — как на цифровых, так и на аналоговых маши-
нах — становятся намного проще и значительно точнее. Теоретические
Фиг 15 Замена случайной функции прямоугольной функцией.
выводы по этому поводу были подтверждены в нашей лаборатории, где спе-
циально генерировавшиеся сигналы обрабатывались на цифровой машине;
в настоящее время мы строим цифровой электронный коррелятор, в основе
конструкции которого лежит вышеизложенный принцип.
Первоначальная потеря чувствительности обнаружения с избытком
окупается возросшей точностью расчетов. Проблема упрощается и с точки
зрения вычислений, так как умножение производится только на +1 или
на —1. В некоторых случаях это может привести к заметному выигрышу
во времени.
Процесс сводится к следующему
1. Определяют дисперсию исходной функции (это необходимо, так как
ограничение, разумеется, нарушает информацию об амплитуде). Следует
обязательно добиться, чтобы среднее значение функции равнялось нулю.
2. Строят новую функцию, заменяя каждое отрицательное число
в исходной функции на —1 и каждое положительное — на +1.
3. Строят автокорреляционную функцию. Ее максимальное значение
при нулевой задержке пропорционально дисперсии исходного сигнала;
поэтому по амплитуде периодической компоненты автокорреляционной
функции может быть определена дисперсия исходной периодичности.
Отметим, что этот метод вызывает искажение автокорреляционной
функции; рассчитанная спектральная плотность будет содержать гармоники
и другие частоты, которые отсутствуют в исходном спектре.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Автор надеется, что этот очерк, посвященный обнаружению периодич-
ностей, окажется полезным при практических расчетах. Хотя в большин-
стве случаев рассматривались периодические компоненты с малой ампли-
тудой, это делалось только для выяснения условий границ применимости
Аналитические методы исследования периодических процессов
149
методов. Зная основные принципы, можно вводить соответствующие изме-
нения для случаев с менее жесткими условиями.
Вообще говоря, область применения описанных методов значительно
шире, чем это можно было показать в настоящей статье. Можно ожидать
дальнейшего развития различных методов, в частности только что изложен-
ного метода исследования распределения нулей, что позволит сделать анализ
более эффективным и менее трудоемким.
ЛИТЕРАТУРА
1. Blackman R. В., Т u к е у J. W., Measurement of power spectra, Bell
Sys. Tech. Journal, 37, 185—282, 485—569 (1958).
2. S h a n п о п С. E., A mathematical theory of communication, Bell Sys. Tech.
Journal, 27, 379—423, 623—656 (1948).
3. В a r t 1 e t t M. S., Smoothing periodograms from time-series with contionuous
spectra, Nature, 161, 686—687, 1948.
4. Wiener N., Generalized harmonic analysis, Acta Math., 55, 117—258, 1930.
5. Symposium on spectral approach to time series, Royal Statistical Soc. B, 19, 1—63,
1959.
6. К e n d a 1 1 M. G., The Advanced Theory of Statistics, London, Griffin, 1946.
7. Lee Y. W., Application of statistical methods to communication problems, Techni-
cal Report No. 181, Research Lab. of Electronics, Massachusetts Institute of
Technology, 1950.
8. S 1 и t z к у E., The summation of random causes as the source of cyclic processes,
Econometrica, 5, 105—146, 1937.
9. С о 1 e L. C., Biological clock in the unicorn, Science, 125, 874—876, 1957.
10. Wiener F. M. et al., Instrumentation for study of propagation of sound over
ground, J. Acoustical Soc. of America, 30, 860—866, 1958.
11. В e г а п e к L. L., Acoustic Measurements. New York: Wiley, 1949.
12. S i n g 1 e t о п H. E., A digital electronic correlator. Technical Report No. 152,
Research Laboratory of Electronics, M. I. T., 1950.
13. G о f f K. W., The application of correlation techniques to some acoustic measu-
rements, D. Sc. Thesis. Electrical Engineering Lab., M. I. T., 1954.
14. M e r c e r D. M. A , The application of correlation techniques in noise analysis,
Annals of Occupational Hygiene, 1, 81—89, 1958.
15. F a r 1 e у F. J. M., Elements of Pulse Circuits, London, Methuen, 1958.
16. Harrison M., Pressure fluctuations in the wall adjacent to a turbulent bounda-
ry layer, 2nd Symposium on Naval Hydrodynamics, Washington, 1958.
17. S p e t n e r L. M., Errors in power spectra due to finite samples, J. Applied Phy-
sics, 25, 653—659, 1954.
18. Tucker M. J., The analysis of finite-length records of fluctuating signals, Brit.
J. Applied Physics, 8, 137—142, 1957.
19. Sc hou ten J. F., Diffraction of light by sound film, Philips Technical Review,
3, 298—305, 1938.
20. Barber N. F., A frequency analyser for the study of ocean waves, Report
ARL/103.30/RZ/W, Admiralty Research Laboratory, Teddington, Middlesex,
England, 1945.
21. Labrouste H.,Labrouste Y., Harmonic analysis by means of linear comi-
nations of ordinates, Terrestrial Magnetism and Atmospheric Electricity, 41, 15—
28, 105—126, 1936.
22. Yule G. U., On a method of investigating periodicities in disturbed series, Proc.
Roy. Soc. A, 226, 267—298, 1927.
150
Д. Мерсер
23. Mercer D. М. A., Study of the application of correlation techniques to the ana-
lysis of acoustic waveforms, Contract Report, Physical Laboratory, Southampton
University, 1958.
24. Barber N. F., The optimum performance of a wave analyser, Electronic Engine-
ering, 175—179, 1949.
25. M c F a d d e n J. A., The axis-crossing intervals of random functions, I. R. E.
Transactions of the Professional Group on Information Theory, I. T., 2, 146—
150; I. T. 4 (1956) 14—24, 1956.
26. Riisnaes E. J., The effect of clipping and sampling on the performance of some
signal detection systems, Report ARL/N30/1, Admiralty Research Laboratory,
Teddington, Middlesex, 1958.
ОБСУЖДЕНИЕ ДОКЛАДА
Барлоу. Я совершенно согласен с д-ром Мерсером, что в том случае,
когда требуется определить, содержится ли в экспериментальных данных
периодическая компонента, метод вычисления взаимно-корреляционной
-0,625 мсек ч 90°
Фиг. 1. График взаимно-корреляционной функции двух синусоидальных волн, сдви-
нутых по фазе на 90° и смешанных соответственно с двумя независимыми шумовыми сиг-
налами (среднеквадратические значения амплитуды одинаковы) [1].
I — синусоидальные волны (400 гц); II — шумовые сигналы (300 — 500 гц); III — синусоидаль-
ные волны, смешанные с шумами. Длительность записей 1,5 сек. Параметр Т соответствует сдви-
гу по времени между двумя сигналами в ходе вычисления взаимно-корреляционной функции.
функции особенно удобен. Поскольку это довольно специальный метод,
по-видимому, имеет смысл привести некоторые примеры. На фиг. 1, А
представлены фотографии с экрана осциллографа: I — две синусоидальные
волны (1 и 2), сдвинутые по фазе на 90°; II — выходные сигналы двух гене-
раторов шумов, пропущенные через фильтры; III — синусоидальные волны
I и 2, смешанные с шумами 1 и 2 соответственно (среднеквадратичные значе-
ния амплитуд синусоидальных волн и шумов сделаны одинаковыми,
т. е. отношение сигнал — шум равно единице). Непосредственно по кривым
III очень трудно определить, содержится ли в каждом сигнале синусоидаль-
ная составляющая, не говоря уже о том, чтобы найти разность фаз между
ними.
Аналитические методы исследования периодических процессов
151
На фиг. 1,5 представлены графики взаимно-корреляционных функций
этих сигналов, построенные на основании записей длительностью 1,5 сек
(например, 600 периодов синусоидальной волны с частотой 400 гц). Можно
видеть, что независимо от присутствия шума легко определить разность фаз
между синусоидальными волнами.
Если бы один из сигналов, изображенных на фиг. 1, А, III, был
чистой синусоидой, получился бы результат, тождественный тому, который
представлен на фиг. 1,5, III.
На фиг. 1, Б, II представлен график взаимно-корреляционной функции
для шумов. Ровная форма графика свидетельствует о том, что эти два
сигнала совершенно независимы, хотя и у того и у другого частоты лежат
в интервале 300—500 гц.
Если первый из двух исследуемых сигналов представляет собой серию
коротких повторяющихся импульсов (не обязательно периодических),
а второй сигнал содержит компоненту, находящуюся в постоянном фазовом

Фиг. 2. Применение взаимно-корреляционного анализа для выделения в ЭЭГ, заре-
гистрированной в затылочной области нормального человека, ритмических волн, вы-
званных световыми стимулами [1].
А — графики взаимно-корреляционной функции, построенные по записям ЭЭГ длительностью
4 мин', Б — небольшие фрагменты этих записей. I — ритмический сенсорный разряд последей-
ствия; II — отсутствие реакции в контрольных опытах (при закрытом стробоскопе). Вспышки да-
вали апериодически с интервалом 1,1—1,4 сек. Вверху показано расположение электродов на голове.
отношении с первым, то вычисление взаимно-корреляционной функции ста-
новится просто эквивалентной усреднению. Это видно из фиг. 2, на которой
приведен соответствующий пример, взятый из области нейрофизиологии.
В верхнем левом углу фиг. 2 представлена усредненная энцефалографиче-
ская реакция нормального человека на стробоскопическую стимуляцию,
зарегистрированная в затылочной области. Производилось около 200 слу-
чайно чередующихся вспышек, из которых только три показаны на ЭЭГ,
представленной внизу. На ЭЭГ не видно реакции на отдельные вспышки,
но с помощью взаимно-корреляционного анализа можно видеть, что каждая
вспышка вызывает серию ритмических волн. В среднем их частота близка
к основной частоте волн ЭЭГ человека, находящегося в состоянии покоя,
или a-ритму, т. е. к 11,2 сек'1.
152
Д. Мерсер
В литературе [1—3] описаны подробности применения автокорреля-
ционной и взаимно-корреляционной функций в нейрофизиологии, а также
некоторые недостатки этих методов. В связи с настоящим симпозиумом
представляет интерес тот факт, что для некоторых компонент а-ритма
с частотами около 10 гц с помощью стимуляции световыми сигналами
можно продемонстрировать явления затягивания и сдвига фазы (включая
переходной период; см. фиг. 2). Это было установлено при исследовании
многочисленных энцефалограмм, зарегистрированных у разных индиви-
дуумов.
Солбергер. Во многих случаях результаты простого спектраль-
ного анализа не имеют явного биологического смысла. В то же время изуче-
ние самой формы кривой может дать некоторую информацию. Кроме того,
следует указать, что методы, разработанные для стационарных процессов,
нецелесообразно применять к таким существенно нестационарным процес-
сам, какими являются биологические ритмы. Желательно было бы разра-
ботать методы, основанные непосредственно на свойствах нестационарных
процессов. Было бы важно, чтобы все статистические методы, рекомендуе-
мые биологам, имели ясный биологический смысл. Тогда биологи могли бы
полностью доверять им. Несомненно, такие методы можно было бы разра-
ботать.
К а л м у с. Авторегистрационные методы Кендалла были разработаны
для изучения экономических проблем, где природа колебаний, длина периода
и форма колебаний неизвестны. При исследовании биологических часов,
однако, предполагают наличие 24-часового ритма и интересуются главным
образом его реальностью, а также случайными и систематическими ошиб-
ками. Существует много других методов, для которых очень удобны анало-
говые вычислительные машины, упомянутые в конце доклада д-ра Мерсера.
Б а р л о у. В лабораториях, проф. Розенблита и д-ра Брезье и в сотруд-
ничестве с проф. Винером мы изучали ЭЭГ при стабильных периодических
процессах; по-видимому, такую ЭЭГ можно связать с деятельностью биоло-
гического часового механизма, обладающего коротким периодом. В некото-
ром смысле эту ЭЭГ можно рассматривать как шумовой сигнал, и, следова-
тельно, проблема анализа сводится к выделению слабого периодического
сигнала, замаскированного случайными флуктуациями.
Для решения этой задачи мы применяли корреляционные методы,
обсуждавшиеся в докладе д-ра Мерсера, и нашли, что они весьма удобны.
Расчеты производились с помощью специализированных вычислительных
машин.
ЛИТЕРАТУРА
1. Barlow J. S., Autocorrelation and crosscorrelation analysis in electroencephalogra-
phy. IRE Trans, on Med. Electronics, ME-6, 179-183 (September 1959).
2. Barlow J. S., Rhythmic activity induced by photic stimulation in relation to in-
trinsic alpha activity of the brain in man. EEG Clin. Neurophysiol., 12, 317—326
(1960).
3. Communications Biophysics Group of the Research Laboratory of Electronics and
W. M. Siebert. Processing Neuroelectric Data, Technical Report 351, Research
Laboratory of Electronics, M. I. T., Cambridge, Mass., July 7 (1959).
Б. СУИНИ, ДЖ. ГАСТИНГС
Влияние температуры на суточные
ритмы
о
ВВЕДЕНИЕ
Независимость биологических ритмов от температуры послужила,
вероятно, самой важной причиной, по которой внимание ученых было при-
влечено к этой проблеме. Наблюдения, казавшиеся всего лишь 15 лет
назад любопытными и интересными, но тривиальными, позволили сделать
первостепенной важности обобщение, касающееся регуляции биологических
и биохимических процессов во времени. Оно может быть сформулировано
следующим образом: организмы обладают биологическими часами. Выска-
занное в такой форме, это обобщение послужило сильнейшим импульсом
к дальнейшим исследованиям.
В начале 50-х годов стало ясно, что постоянство периода биологических
ритмов при различных температурах имеет огромное значение. Как отме-
чали в своем обзоре Питтендрай и Брюс [1], концепция биологических
часов, по крайней мере частично, была развита на основе работы Крамера [2],
исследовавшего способность птиц вносить поправку на местное время при
ориентации по солнцу. Но более убедительно гипотеза о биологических
часах, определяющих устойчивые суточные ритмы, была сформулирована
в изящной работе Питтендрая на дрозофиле [3]. В его статье проблема тем-
пературной независимости была впервые рассмотрена достаточно полно
и заняла то место, которое мы отводим ей сейчас. После этого быстро рас-
пространился взгляд, что ритмы отражают деятельность механизма измере-
ния времени, для которой независимость от температуры имеет принци-
пиальное значение.
Мы не предполагаем, что эти вопросы ранее не рассматривались
и не были оценены по достоинству. Конечно, их важность была понятна.
Но усилия исследователей были направлены в другую сторону. Раньше
считали, что основной вопрос об устойчивых суточных ритмах, т. е. о ритмах,
сохраняющихся при условиях, которые можно считать постоянными,
состоит в том, являются ли эти ритмы эндогенными или экзогенными.
Бюннинг в своей блестящей работе [4] в 1931 г. пришел к заключению,
что существует эндогенный механизм, который можно уподобить часам
и в основе которого, по-видимому, лежат реакции обмена веществ, поскольку
при повышении температуры ход часов ускоряется. Он отметил, однако,
что изменение скорости хода часов при повышении температуры относи-
тельно мало по сравнению с обычным ускорением метаболических процессов,
даже тех, которые имеют периодический характер. Он привел много
других экспериментов, подтверждающих тезис об эндогенной природе
механизма.
154
Б. Суини, Дж. Гастингс
Браун и Вебб [5] в своей известной работе об изменении цвета краба
Uca рассматривали именно этот аспект проблемы. Они сообщали о полной
независимости периода ритма от температуры и пришли к выводу, что трудно
безоговорочно принять представление о полностью эндогенном механизме
биологических часов, до тех пор пока «тщетны поиски биологического меха-
низма (температурной компенсации)... (и) даже если бы его существование
было показано, то трудно приписать ему достаточную точность...»
Мы должны здесь же напомнить, что, сформулировав общее правило
о температурной нёзависимости биологических часов, мы ничуть не прибли-
зились к решению основной проблемы — к пониманию механизма часов.
Температура, °C
Фиг. 1. Влияние температуры на скорость различных процессов
(А — линейная шкала, Б — логарифмическая).
/ — интенсивность биолюминесценции бесклеточного экстракта Gonyaulux polyedra; II — скорость
гидролиза ортонитрофенил-0-галактозида ферментом Р-галактозидазой, полученным из конститу-
тивного мутанта Е. coll. Температурный оптимум различен в случаях / и II; III — частота сер-
дечных сокращений у крысы [601; IV — скорость тепловой денатурации Р-галактозидазы. Для
этого процесса характерно очень быстрое возрастание скорости при относительно малом возраста-
нии температуры.
Это делает задачу выяснения механизма еще более актуальной и стимули-
рует поиски все более плодотворных направлений исследования; но от пол-
ного решения этой проблемы мы все еще далеки.
В температурном интервале, в котором может жить некоторый данный
организм, скорость отдельных процессов обычно увеличивается с повыше-
нием температуры. Как хорошо известно, это, по-видимому, связано с тем,
что химические реакции ускоряются при повышении температуры. Такая
зависимость вполне естественна, поскольку температура является мерой
кинетической энергии молекул, и при повышении температуры молекулы
чаще соударяются друг с другом, что приводит к увеличению скорости
химической реакции.
Прежде чем перейти к подробному рассмотрению влияния температуры
на суточные ритмы, мы кратко рассмотрим более общие закономерности,
касающиеся влияния температуры на скорость реакций. В области, где
скорость реакции растет с температурой, наиболее типична логарифмиче-
ская зависимость между этими величинами (фиг. 1). Наклон кривой,
вычерченной в логарифмическом масштабе (фиг. 1, Б), является постоянной
Влияние температуры на суточные ритмы
155
величиной1, характеризующей данную систему. Это свойство системы опи-
сывают обычно посредством величины Qlo. Очевидно, что при уменьшении
скорости процесса с температурой наклон кривой будет отрицательным,
а для процесса, полностью независимого от температуры, наклон будет
равен нулю.
Следует отметить, что во многих случаях существование температур-
ного оптимума можно объяснить тепловой инактивацией ферментов и что
точная температурная граница этого явления широко варьирует. В отличие
от р-галактозидазы(см. фиг. 1) некоторые ферменты оказываются нестабиль-
ными уже при комнатной температуре, тогда как для инактивации других
требуется кипячение. Влияние температуры на частоту сердечных сокраще-
ний (см. фиг. 1, III) свидетельствует о том, что подобного рода ритмические
процессы сильно зависят от температуры как у теплокровных, так и у
холоднокровных организмов.
Для объяснения явления температурной независимости был предложен
целый ряд гипотез [1], но единственная из них, получившая хоть какое-то
экспериментальное обоснование,— это гипотеза компенсации температур-
ных эффектов. Хотя подробности нам еще не известны, из фиг. 1 ясно, что
соответствующим подбором двух физико-химических процессов можно
добиться температурной независимости процесса. Действительно, если
с ростом температуры скорость одного из них уменьшается, а другого —
увеличивается, то результирующая этого сопряженного процесса может
оставаться постоянной.
Возможны также и другие типы регуляции, например обратная связь,
осуществляемая посредством изменения активности фермента [6].
Убедительным подтверждением гипотезы компенсации температурных
эффектов служат данные [6, 7], согласно которым коэффициент Qlo может
иметь значение меньше 1. Механизм компенсации может быть неточным
и давать отклонения в любую сторону.
Объяснение температурной независимости специальным биологиче-
ским механизмом противоречит мнению, в соответствии с которым это
явление столь необычно, что оно не может быть понято на биохимической
или физиологической основе (см. приведенную выше цитату из работы
Брауна и Вебб [5]).
Наша работа, посвященная влиянию температуры на биологические
ритмы, разделена на две части. В первой части рассматривается влияние
температуры в стационарных режимах, т. е. исключаются явления, кото-
рые могут происходить при изменении температуры. Во второй части мы рас-
сматриваем влияние изменений температуры, в том числе кратковременных,
периодических и т. п.
ТЕМПЕРАТУРА И СТАЦИОНАРНЫЕ СОСТОЯНИЯ
ВЛИЯНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ НА СВОБОДНЫЙ ПЕРИОД
Температурную независимость биологических часов не следует пони-
мать превратно. Она означает лишь отсутствие больших различий в вели-
чине свободного периода биологического ритма у организма, находящегося
в постоянных условиях, но при разных температурах.
1 Прямолинейная зависимость логарифма константы скорости от Т может быть
результатом проведения исследований лишь в малом температурном интервале. Для
«классической» экспоненциальной зависимости логарифм константы скорости про-
порционален 1/Т.—Прим. ред.
156
Б. Суини, Дж. Гастингс
10X1,30 11X1 12X1
27.IX.30 28.IX 29.IX
30°С
Фиг 2. Эндогенный ритм движений листьев Phaseolus при постоянной температуре
в темноте, по данным Бюннинга [4].
Все растения росли при температуре 20° и были перенесены в новые температурные условия
в момент, соответствующий началу записи.
Проводя обзор экспериментальных работ, мы все время учитывали
то обстоятельство, что ценность результатов работы зависит от качества
метода исследования и особенно от того, позволяет ли метод следить за рит-
мическим процессом непрерывно или хотя бы проводить наблюдения доста-
точно часто. Конечно, для конкретных исследований тот или иной биоло-
гический материал может оказываться предпочтительным в силу целого
ряда иных обстоятельств, так что этот критерий вовсе не является един-
ственным.
Следует отметить другие особенности подобных экспериментов. Прежде
всего очень важно наблюдать ритмический процесс в течение нескольких
дней после проведенных в эксперименте изменений температуры, чтобы
избежать влияния переходных процессов [3].
Очень существенно также, чтобы один и тот же организм (или орга-
низмы) не подвергался повторным испытаниям в тех случаях, когда метод
Влияние температуры на период суточных ритмов
Таблица J
Организм Ритмическая активность Температура, °C Период, час <2ю Источник данных
Phaseolus multiflo- Движения листьев 15 29,7 1,3 [4]
rus (фасоль) (в темноте) 20 27,0
25 23,7
30 22,0
35 19,0
15 28,3_+0,4 1,01 [Ю]
20 28,0±0,4
25 28 ,0±1,0
14 30,5 1,2—1,3 [Н]
23 23,1±0,5
Колеоптили овса Скорость роста (в 15—17 ^24 ^1,0 [44]
темноте) 20—25 ^24
26—28 ^24
Helianthus (под- Эксудация при не- 15 ^25 1,1 [19]
солнечник) прерывном осве- 30 ^22
щении 100 лк
Cestrum nocturnum Раскрытие цветков [45]
при непрерывном 17 27
освещении 5000 лк 14 31
в темноте 23 24,7
Euglena gracilis Фототаксис 16,7 26,2 1 ,01 — 1,1 [9]
(жгутиковое) 23 23,5
26 23,8
33 23,2
Oedogoniutn car- Спорообразование 17,5 20 0,8 [7]
diacum (водо- 25 22
росль) 27,5 25
Gonyaulax polyed- Вспышки биолюми- 15,9 22,5 0,85 [6]
га (жгутико- несценции при 19 23,0
вое, обитаю- слабом свете 21 24,4
щее в морской 22 25,3
воде) 26,6 26,8
32 25,5
Биолюминесценция 18 22,9 0,9 [22, 23]
(спонтанное све- 20 23,3
чение; в темноте) 25 24,7
Клеточное деление 18,5 23,9 0,85 [23]
25 25,4
Pilobolus (Phyco- Спорообразование 15 36 1,3 [30, 31]
mycete) (в темноте) 20 24 1,5
25 24
25 27
Продолжение табл. 1
Организм Ритмическая активность Температура, °C Период, час Qio Источник данных
Neurospora (хлеб- Концентрический рост 24 22±1 ,5 1,03 [25]
ная плесень) при тусклом крас- ном свете 31 21,7±1,8
Paramecium (ин- Конъюгация (в тем- 17 22—23 %1,0 [24]
фузория) ноте) 25 22—23
29,5 22—23
Cavernularia obesa Сжимание и развер- 30 ^24 [46]
(морское перо) тывание колонии 20 ^24
10 ^24
в темноте ^48
Cambarus (рак) Миграция глазного 7 ^24 ^1,0 [47]
пигмента 21 ^24
Uca pugnax (краб) Изменение цвета (бе- 26 24 1,0 [5]
лые и черные хро- 16 24
матофоры изуча- лись в отдельно- сти) при тусклом 6 24
свете
Пчела Чувство времени 23 ^24 ^1,0 [13]
кормления (в тем- 32 ^24
ноте) 18—35 24 (устой- ^1 ,0 [14]
чиво)
Кузнечик Вылупление из яиц 22 -> 11 24 27 3,0 [16]
Drosophila sp. Вылет (в темноте) 10 30 1,1—1,25 [18]
(плодовая муш- 20 24
ка) 30 22
D. pseudoobscura Вылет (в темноте) 16 24,5 1,02 [3]
(плодовая муш- 21 24,0
ка) 26 24,0
Periplaneta ameri- Активность при туск- 18 24—25 [48]
сапа (таракан) лом свете 19—20 24 ,4±0,1
22—23 24 ,5±0,1
27—28 25,04-0,3
29 25,84-0,7
31 24—27
Lacerta sicula Активность 16 25,05±0,413 1,02 [49] и
(ящерица) 25 24,38±0,071 личное
35 24 ,55±0,16 сообще- ние Гоф-
мана
(1960)
Влияние температуры на суточные ритмы
159
Продолжение табл. 1
Организм Ритмическая активность Температура, °C Период, час Сю Источник данных
Myotis lucifugus и Млекопитаю Активность (в тем- щ и е 10—22 и 37 1,04 [50, 51]
Eptesicus fuscus (летучие мыши) Mesocricetus aura- ноте) Активность (в тем- в течение нескольких дней 15 на 3 час 1 ,07 1,1 [50, 51]
tus (хомяк) Peromycus (оленья ноте) Активность (в тем- Между 20 1,1—1,4 [50, 51]
мышь) Myotis lucifucus и ноте) Температура тела и 37 на 5—8 час 3—10 23,5—27,5 [52]
Eptesicus fus- cus (летучие мыши) (в темноте) (зимние мыши) 19—24 (летние мыши) [53]
наблюдения включает изменения условий, особенно изменение светового
режима. Необходимость подобной предосторожности вытекает из интерес-
ных наблюдений Брюса и Питтендрая [9], которые обнаружили, что вклю-
чение света на 15 мин через каждые 2 час вызывает ритмический процесс
с периодом, в точности равным 24 час.
Наконец, существенно, чтобы были исключены любые, даже самые
малые, суточные колебания температуры, так как они могут вызвать затяги-
вание ритмов (см. ниже).
На фиг. 2 мы воспроизводим результаты работы Бюннинга [4], кото-
рая, по нашему мнению, является первой четкой продуманной работой
подобного рода. Если принять отмеченные нами точки за максимумы,
то совершенно ясно, что период становится короче при повышенных тем-
пературах, но, как отмечал Бюннинг, Qt0 процесса невелико. В табл. 1
приведены значения длин периодов, полученные в этой работе усреднением
по 40 периодам.
Очевидно, что ритм Phaseolus не описывается плавными синусоидаль-
ными кривыми и характеризуется большим разбросом. Это отмечал Лейн-
вебер [10], тщательнейшим образом повторивший эксперименты Бюннинга.
Прямое указание на степень разброса дает фиг. 3,где представлены резуль-
таты экспериментов, проведенных Лейнвебером более чем на 1000 листьев.
В этих опытах не было отмечено сколько-нибудь значительного влияния
температуры на длину периода (см. табл. 1). Ранние результаты Бюннинга,
показавшие зависимость ритма от температуры, объясняются, по мнению
Лейнвебера, тем, что первый после смены температуры период сильно
зависит от температуры. Питтендрай показал это в опытах с ритмами вылета
Drosophila. Это предположение Лейнвебер [10] подтвердил своими опытами.
160
Б. Суини, Дж. Гастингс
Вент [11] в своей более поздней экспериментальной работе оспаривает
вывод Лейнвебера о температурной независимости эффекта. Он показал
относительно большое влияние температуры на период, что согласуется
с ранними наблюдениями Бюннинга. Мы не считаем, что эксперименты
Вента убедительны, особенно если учесть, что Лейнвебер показал огромную
вариабельность этой системы. Кроме того, в экспериментах Вента не исклю-
чена возможность переходных процессов при смене температур.
Фиг. 3. Результаты экспериментов Лейн-
вебера по изучению движения листьев
Phaseolus [10].
В отличие от опытов Бюннинга растения росли при
той температуре, при которой производились наб-
людения По оси ординат отложено число случаев,
в которых максимум и минимум наблюдались
в указанное на абсциссе время (интервалы вре-
мени равны 2 час). Данные свидетельствуют о боль-
шой вариабельности во времени наступления мак-
симума и минимума у разных растений.
Фиг. 4. Графики, иллюстрирующие
отсутствие заметного влияния темпе-
ратуры на чувство времени у пчел
[13].
Пчелы, приученные кормиться в опреде-
ленное время дня (с 15 до 18 час.; см.
прямоугольник со стрелками) прилетали
в это время дня в течение еще нескольких
дней после окончания циклов периодическо-
го освещения даже при изменении темпе-
ратуры.
В 1929 г. Белинг [12] установила, что пчелы обладают способностью
чувствовать время, и в 1932 г. Вааль [13] опубликовал свое классическое
исследование по влиянию температуры на это свойство. Эти эксперименты
проводились прямо на следующий день после смены температуры, и, согласно
сказанному выше, мы могли бы не придавать им значения, если бы они
показали, что чувство времени зависит от температуры; но в действитель-
ности этого не наблюдалось (фиг. 4).
Двумя годами позже Калмус [14L исследуя то же явление, пришел
к выводу, что в интервале температур 18—35° чувство времени у пчел
не зависит от температуры. Однако он не согласился с заключением Вааля
о том, что в основе биологических ритмов не могут лежать метаболические
реакции. Он обнаружил, что кратковременное воздействие холода (5—7°)
Влияние температуры на суточные ритмы
161
или высоких температур (40°) соответственно замедляет или ускоряет
ритм активности, связанной с кормлением. Недавно этот результат был
подтвержден Реннером [15].
Калмус [16] в своих исследованиях особенно интересовался вопросом
об эндогенной или экзогенной природе ритмов. Он был убежден в том, что
изучение влияния температуры на самые разнообразные организмы под-
твердит представление об эндогенной природе ритмов. Изучая у кузнечика
ритм кладки яиц, он обнаружил большой температурный эффект. В условиях
постоянной темноты при 22° наблюдался период в 24 час. При понижении
Фиг. 5. Температурная независимость ритма вылета у D. pseudoobscura [3].
Культуры выращивались при каждой из трех указанных температур и к третьему пику вылета
переводились в условия постоянной темноты. Хорошо видно, что ритм при этом сохраняется.
При 16° период слегка удлиняется до^24,5 час.
температуры до 11° период возрастал до 72 час. После повышения темпера-
туры прежний период восстанавливался.
В 1935 г. Калмус [17] обнаружил, что ритм вылета Drosophila также
зависит от температуры. По сообщению Бюннинга [18], температурный
коэффициент этого процесса равен примерно 1,2 (см. табл. 1).
Питтендрай [3], проверяя эти данные, показал, что если дрозофилу
содержать при постоянной температуре в режиме свет — темнота, то ритм
вылета характеризуется свободным периодом, весьма близким к 24 час,
и после перенесения в темноту. Требуется лишь, чтобы температура, при
которой содержатся насекомые, не менялась при переходе от режима све-
тового цикла к режиму постоянной темноты. При соблюдении этого условия
период ритма одинаков при 16 и 26° и близок к 24 час (фиг. 5). Если же при
переходе от режима светового цикла к режиму постоянной темноты происхо-
дит и смена температуры (с 26 до 16°), то период ритма меняется (фиг. 6).
Правда, с течением времени это изменение периода нивелируется. Сущест-
венно, что такое исправление периода происходит в условиях полной тем-
ноты. Таким образом, здесь мы имеем дело, по-видимому, с переходным
процессом.
Грозенбахер [19] сообщал в 1939 г. о температурной независимости
ритма эксудации у Helianthus, но эта работа привлекла тогда мало внимания.
162
Б. Суини, Дж. Гастингс
Анализируя его кривые, мы приходим к выводу, что на самом деле темпера-
турный эффект в его опытах существовал, но был очень невелик (см. табл. 1).
После работ Брауна и Вебб [5] в 1948 г. интерес к этой области исследова-
ний возрастает все больше и больше.
Фиг. 6. Вариант опыта, результаты которого изображены на фиг, 5 [3J.
Мухи выращивались при 26°, затем их переносили в постоянную темноту и спустя 12 час понижали
температуру на 10°. Наблюдается переходной процесс (пик 3 запаздывает), после чего культура пе-
реходит на собственный колебательный режим со сдвигом фазы на 3 час. Воспроизведены два опыта.
На фиг. 7 мы воспроизводим результаты Брауна и Вебб по влиянию
температуры на ритм краба Uca в течение первых шести дней после смены
температуры. На фиг. 8 представлены данные об этом ритме после 2, 3 и
/ 7 /5/5 / 71319 / 7 75/5 / 7 /5/5 / 7 13191 713191 7
Время суток
Фиг. 7. Ритм изменения цвета краба Uca при 26° (/), 16° (//) и 6°
(III), обусловленный сокращением и расширением белых хромато-
форов [5].
При изменении температуры ритм сохраняется. Концентрация пигмента мак-
симальна, т. е. животное обладает наиболее светлой окраской, ночью. По оси
ординат отложены оценки состояния хроматофоров (в условных единицах),
полученные визуальным методом.
4 недель при тех же температурах. Отметим, что при 6° ритм не выдер-
живается.
Этот случай единственный, в котором период оказывается не зависящим
от температуры в диапазоне более чем 20° [201. Учитывая это, а также имея
5
А Б В
1 -
1319 1 7 13 7 1319 1 7 13 7 13 19 1
Время суток
Ф и г. 9. Температурная независи-
мость ритма фототаксиса Euglena
gracilis [9].
Кривые для каждого дня получены при
анализе лент самописцев, регистрирующих
ход фототаксиса. По оси ординат отложены
величины активности фототаксиса в .услов-
ных единицах. Наклонные прямые, прохо-
дящие через минимумы кривых, наглядно
показывают небольшое отклонение свобод-
ного периода от 24 час. С их помощью
легко оценить период при разных темпе-
ратурах. 25 и 26 мая эвглену освещали
лампой дневного света в течение 12 час,
чтобы вызвать сдвиг фазы ритма.
Фиг. 8. Ритм изменения цвета
у краба Uca спустя 2, 3 и 4 недели
(А, Б и В соответственно) при
указанных температурах (обозна-
чения те же, что и на фиг. 7).
Даже спустя 4 недели максимальная
концентрация пигмента наблюдается
ночью (при 26 и 16°). При 6° ритм не
сохраняется.
Фиг. 10. Ритм интенсивности люминесценции у Gonyaulax polyedra при разных темпе
р атурах [6].
До начала экспериментов клетки выдерживались при 22° в условиях чередований света и темно-
ты В начале эксперимента клетки были перенесены из темноты при 22 на свет (1000 лк) при раз
личных температурах и находились в этих условиях до конца опыта. Люминесценция клеток
определялась приблизительно каждые 2 час.
Фиг 11. Ритм конъюгации парамеций при различных температурах в условиях постоянной темноты [24].
При 17° ритм выражен очень слабо. Стрелкой отмечен момент перехода к указанной температуре.
166 Б. Суини, Дж. Гастингс
в виду, что этот период равен точно 24 час, причем его фаза строго соот-
ветствует естественному чередованию дня и ночи, мы полагаем, что дальней-
шее исследование краба Uca могло бы дать ценную информацию. Это тем
более желательно, что Вебб, Браун и Сендин [21] сообщали в 1954 г., что
при определенных условиях свободный период этого ритма оказался отлич-
ным от 24 час.
Было бы полезно более тщательно исследовать влияние температуры
на ритм краба Uca. Действительно, трудно интерпретировать опыт по влия-
нию температуры на период, когда последний в точности равен 24 час.
В таких случаях не исключена возможность того, что некоторое влияние
оказывает периодический экзогенный процесс, затягивающий ритм.
о Q L----------1 1 « 1 1
Е 72 96 120 744 168 192
о
Время, час
Фиг. 12. Ритмичность образования мицелия культурой Neurospo-
ra crassa, растущей в проточной камере при двух различных темпе-
ратурах при постоянном тусклом красном свете (по оси ординат—
плотность мицелия) [25].
Начиная с 1954 г. в печати ежегодно появляется одно или несколько
сообщений о температурной независимости суточных ритмов у разных
организмов. Данные работ, не обсуждающиеся в тексте, приведены
в табл. 1.
Бюнеман [7] своими изящными опытами на Oedogonium в 1955 г. впер-
вые показал, что может существовать слабая температурная зависимость
обратного характера. Увеличение температуры замедляло часы так, что
коэффициент Qlo был равен примерно 0,8.
В работе Брюса и Питтендрая [9] по ритму фототаксиса у эвглены было
показано, что и одноклеточные организмы могут обладать устойчивым рит-
мом. Этот ритм обладает многими характерными чертами суточных ритмов,
в том числе и самым характерным их свойством — температурной незави-
симостью (фиг. 9).
Температура оказывает одинаковый эффект и на каждый из трех изу-
ченных ритмов у морской водоросли Gonyaulax polyedra [6, 22, 23]. Во всех
Влияние температуры на суточные ритмы 167
этих случаях Qi0 было меньше 1 (фиг. 10). Последнее явление интерпрети-
ровалось как свидетельство относительно неточной регуляции темпера-
турных эффектов, приводящей к «перекомпенсации». Величина перекомпен-
сации не слишком мала: ^10 — 0,85. Равенство значений Qlo для различных
ритмов (см. табл. 1) свидетельствует, возможно, о том, что различные
физиологические процессы контролируются одним и тем же меха-
низмом.
Известно еще несколько примеров независимости периода ритмов
от температуры, в том числе ритм конъюгации у Paramecium [24] и концен-
трический рост у Neurospora [25] (фиг. 11 и 12).
Итак, в ряде случаев было показано, что период биологического ритма
очень мало зависит от температуры окружающей среды.
ВЛИЯНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ НА ФОРМУ РИТМА
Как уже ясно из приведенных выше-экспериментальных данных, тем-
пература может оказывать большое влияние на форму кривых, описываю-
щих ритм. В ряде случаев совершенно очевидно, что при низких температу-
рах амплитуда основного ритма снижается (например, в явлениях фото-
таксиса эвглены, см. фиг. 9).
Противоположный эффект был отмечен при изучении ритма люминес-
ценции у Gonyaulax (см. фиг. 10), когда интенсивность свечения уменьшалась
при возрастании температуры от 16 до 32°. Интерпретация этого удивитель-
ного явления не ясна. Быть может, оно связано с механизмами компенсации
температурных эффектов.
Исключительно интересные и необычные данные о влиянии температуры
на ритм были получены в опытах Хэкротта [26], изучавшего активность
змей (фиг. 13). В режиме чередования света и темноты (12 час света и 12 час
темноты) при температуре 21° наибольшая активность змей наблюдалась
4—5 час спустя после начала светового периода. При повышенных темпера-
турах в это время наблюдается минимум активности, но зато появляются
два максимума: один непосредственно около начала светового периода,
другой — ближе к его концу. При еще более высоких температурах
максимум активности вблизи начала светового периода начинает прева-
лировать.
Приспособительное значение этого явления достаточно ясно. При
каждой температуре максимальная активность наблюдается в такое время
дня, когда температура является оптимальной для змей.
ИЗМЕНЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ И ФАЗА
Теперь мы рассмотрим вопрос о том, может ли изменение температуры
действовать в качестве сигнала, т. е. определять фазу ритма.
На этот вопрос безусловно можно дать утвердительный ответ. Данная
проблема может быть рассмотрена с нескольких точек зрения. Мы поста-
рались свести вместе большое количество часто сложных и очень разных
экспериментов, вк оторых изучались температурные эффекты, и сгруппиро-
вали их таким образом, чтобы было легче ответить на поставленный вопрос
(табл. 2).
Таблица 2
Нестационарные температурные эффекты
Организм Ритмическая активность Характер температур- ных изменений Действие изменения температуры Источник данных
А. Выдерживание при низких температурах
Phaseolus (фа- Движения Продолжительное Нерегулярность [54]
соль) листьев воздействие низкой температуры (10°) ритма и укорачивание периодов
То же Низкая темпера- тура 0° в течение не- скольких часов Отставание по фа- зе на эквивалентное число часов с после- дующей компенсацией [Ю]
Avena (овес) 4° в течение 6, 11 и 16 час Запаздывание по фазе примерно на то же число часов с ком- пенсацией в следую- щем пике [42]
Oedogonium Спорообразо- Выдерживание Запаздывание по [38]
(водоросль) вание при —5° в течение 6 час на разных ста- диях цикла 0° в течение 12 час фазе на 6 час или ме- нее в зависимости от фазы цикла Запаздывание на 8 час или менее в за- висимости от фазы цикла Руддат (личное сообще- ние, 1960)
Talitrus Ориентация 4—6° в течение Влияние на фазу [55]
(равноногий рачок) по солнцу 18 час отсутствует
Uca (краб) Изменение цвета 0—3° в течение 6 час Отставание на 6 час по фазе [5]
То же 5° в течение 2 час Отставание менее чем на 2 час [36]
» » 9,5° в течение 12 час Отставание на 5 час или менее в за- висимости от фазы [37]
Пчела Чувство вре- мени 5—7° в течение нескольких часов Задержка пика [14]
То же 4—5° в течение 5 час 45 мин 3-часовое запазды- вание пика. Фазовая зависимость не иссле- дована [15]
Б. Температурные циклы
Phaseolus (фасоль) Движения листьев Обратный темпе- ратурный цикл (вы- сокие температуры ночью) По сравнению с растениями, находив- шимися в темноте, фаза ритма сдвинута на 12 час [27]
Продолжение табл. 2
Организм Ритмическая активность Характер температур- ных изменений Действие изменения температуры Источник данных
Растения то- Движения ли- Температурный Предотвращается [34]
мата стьев цикл в условиях по- стоянного освещения повреждение листьев, происходящее в от- сутствие суточной пе- риодичности освеще- ния
Euglena (жгутико- вое) Фототаксис Разность фаз меж- ду температурным циклом и циклом свет — темнота варь- ирует Ритм меняется под влиянием температур- ного цикла [56]
Oedogonium Спорообразо- 24-часовой цикл с Происходит затя- [7]
(водоросль) вание разницей температур 2,5° Период цикла от- личен от 24 час гивание ритма, при- чем фаза определяет- ся температурным циклом Затягивание рит- ма 18-часовым, но не 12- и 30-часовым цик- лом
Pilobolus (плесень) То же Цикл 12 час 21°— 12 час 25° (в темно- те) Восстановление ритма в темноте [30]
» » Нагревание на 5° или больше в тече- ние 1 час каждые 12 час Затягивание рит- ма, сохраняющееся в постоянных условиях в течение 24 час, пос- ле чего восстанавли- вается собственный период [31]
Drosophila (плодовая мушка) Вылет Т емпературный цикл Затягивание [3]
Drosophila То же Температурный ци кл Д- ци кл свет — темнота с меняющей- ся разностью фаз между ними Под влиянием тем- пературного цикла время вылета изме- няется [33]
Periplaneta (таракан) Активность 24-часовой темпе- ратурный цикл Предотвращает по- терю ритма при по- стоянной темноте [29]
Leucophaea Двигательная 24-часовой сину- Затягивание фазы, [32]
(таракан) активность соидальный цикл (19—29°) сохраняющееся при дальнейшем переводе в темноту; начало актив- ности совпадает с мак- симумом температур- ного цикла
Продолжение табл. 2
Организм Ритмическая активность Характер температур- ных изменений Действие изменения температуры Источник данных
Ptinus (жук) Активность Температурный цикл Восстановление потерянного при не- постоянном освеще- нии ритма [28]
Glaucotnys vo- lans (летя- га) Двигательная активность 4 животных со- держали в темноте при 15° в течение не- скольких недель; за- тем — цикл 12 час 25°, 12 час 15° в тем- ноте на протяжении 46 дней, пока фаза ритма активности трех из четырех жи- вотных не совпала с фазой температурно- го цикла; после это- го — условия посто- янной температуры (20°) в течение несколь- ких недель Частота цикла ак- тивности остается неизменной; кажу- щаяся синхронизация температурным цик- лом у трех животных произошла из-за по- давления активности в течение теплого пе- риода, а не благодаря затягиванию ритма [57, 58]
в. н 'ебольшие импульсные и скачкообразные изменения температуры
Phaseolus (фасоль) Движения листьев Повышение темпе- ратуры на 5° в тече- ние 1 час в темноте (когда у растений утрачен ритм) Восстановление ритма в отсутствие светового стимула [41
Pilobolus (плесень) Спорообразо- вание Подъем темпера- туры с 21 до 25° в тем-' ноте (когда ритм был утрачен) Появление ритма [30]
Paramecium (инфузория) Конъюгация Изменение темпе- ратуры с 25 до 29,5° в темноте Зависящий от ста- дии цикла парамеции сдвиг фазы (максимум на 12 час), если изме- нение температуры приходится на конец неактивной стадии [24]
Talitrus (равноногий рачок) Ориентация по солнцу Высокая темпера- тура 35—37° в тече- ние 18 час 4—6° в течение 18 час Опережение по фа- зе на 5—6 час Нет эффекта [54]
Влияние температуры на суточные ритмы
171
Продолжение табл. 2
Организм Ритмическая активность Характер температур- ных изменений Действие изменения температуры Источник данных
Drosophila Вылет Повышение и по- нижение температуры (16°—26°—16°) в те- чение 4 час (на культурах, выращен- ных и содержащихся в темноте и утратив- ших ритм) Возникновение 24-часового ритма в отсутствие светового сигнала [31
Drosophila То же Снижение темпе- ратуры с 26 до 16° После снижения температуры один удлиненный период, затем очень короткий период; суммарное изменение фазы мало [40]
Leucophaea и Двигательная Животные сод ер- Фаза ритма сдви- [32J
Byrsotria (тараканы) активность жатся в темноте. Тем- пература 25°—12°— 25°; низкая темпера- тура поддерживается на протяжении 12 и 48 час. Начало по- нижения приходится на разные фазы соб- ственного ритма гается; новая фаза не- посредственно связа- на со временем темпе- ратурного воздей- ствия. Время начала активности совпадает со временем повыше- ния температуры. Пос- ле температурного воздействия период всегда меняется
Glaucomys vo- Двигательная 4 животных в тем- Отсутствие сдвига [57, 58]
Ians (летя- га) активность ноте при 20°; единич- ное (на 0,5 час с интервалом 3—12 дней) понижение тем- пературы с 20 до 15° фазы во всех случаях независимо от момен- та температурного воздействия
ВЛИЯНИЕ ТЕМПЕРАТУРНЫХ ЦИКЛОВ
Фаза ритма может определяться не только чередованием светового
и темнового периодов, но и температурными циклами. Штерн и Бюннинг
[27] в 1929 г. показали в экспериментах на Phaseolus возможность обраще-
ния фазы ритма в темноте при помощи температурного цикла, имеющего
максимум ночью. Бюнеман [7], изучая ритмы спорообразования у Oedo-
gonium, обнаружил два дополнительных обстоятельства, касающихся тем-
пературных циклов. Во-первых, ритм может затягиваться температурным
циклом с относительно небольшой разницей дневной и ночной темпера-
тур —порядка 2,5° (фиг. 14). Во-вторых, возможно затягивание ритма
° —।—।—।—i—i—i—i—i—i—i—
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 192021 22 23
Темнота Свет Темнота
Время, час
Фиг. 13. Активность подвязковой змеи Thamnophis radix radix
при чередовании света и темноты и различных температурах [26].
При 27,7° днем наблюдаются два пика в противоположность единственному
пику в середине дня при 21,1° и на рассвете при 35°.
Влияние температуры на суточные ритмы
173
температурными циклами, период которых не равен 24 час. Так, оказался
эффективным 18-часовой температурный цикл (9 час высокой температуры
и 9 час низкой) (фиг. 15). Это говорит о том, что затягивание может про-
Z75T Время------>
2ГС
Фиг. 14. Ритм спорообразования у Oedogonium cardiacum при по-
стоянном освещении и температурном цикле с разницей температур
2,5° (12 час при 27,5°—12 час при 25°) [7].
Горизонтальными линиями а — з изображен температурный цикл, черными
треугольниками — максимумы спорообразования, светлыми треугольника-
ми — минимумы. Хорошо видно затягивание ритма температурным циклом.
затягивающего цикла. 12-часовой цикл (6 : 6) индуцирует 24-часовой ритм
с максимумом через один период, тогда как 30-часовой цикл оказался
неэффективным.
Можно привести ряд других примеров влияния температурных циклов
на ритмические процессы. Ритм активности жука Ptinus, исчезавший при
постоянном освещении, восстанавливался вновь при наличии температур-
Ф и г. 15. Ритм спорообразования у Oedogonium в тех же условиях, что и на фиг. 14,
но с температурным циклом 9 час при 27,5°— 9 час при 25° [7].
Затягивание ритма температурным циклом отчетливо заметно.
174
Б. Суини, Дж. Гастингс
ного цикла [28]. У Periplaneta ритм при наличии температурного цикла
не утрачивался и при постоянной темноте, однако однажды утраченный ритм
Фиг. 16. Ритм вылета Droso-
phila при чередовании света и
темноты и температурном цик-
ле с разницей температуры
(26—10°) [33].
В разных культурах начало темпе-
ратурного цикла приходится на раз-
ные фазы светового цикла. Темно-
вой период обозначен штриховкой,
температурный цикл—синусоидаль-
ной линией, число мух — темными
прямоугольниками. Отметьте, что
температурный цикл затягивает
ритм значительно слабее, чем све-
под влиянием температурного цикла не вос-
станавливался [29]. У Pilobolus было обнару-
жено затягивание ритма спорообразования
периодическим действием повышенных или по-
ниженных температур в течение 1 час с задан-
ным интервалом. При дальнейшем переходе
к постоянным условиям спорообразование
происходило в течение нескольких циклов
с задающей частотой температурного цикла,
но затем восстанавливался свободный
период [30, 31]. Робертс [32] изучал
также влияние температурных циклов на та-
раканах.
Особый интерес представляют исследова-
ния Питтендрая и Брюса [1, 33], посвящен-
ные взаимодействию световых и температур-
ных циклов. На фиг. 16 воспроизведены не-
которые полученные ими результаты. Они
показывают, что световой цикл оказывает
более существенное влияние на ритм вылета
у Drosophila, чем температурный, и что суще-
ствуют «запрещенные» для вылета промежутки
времени. Интересно, что у культур, для ко-
торых минимум температуры приходится на
конец светового периода и на начало темно-
вого периода, вылет происходит в совершенно
различные промежутки времени. Подобного
рода эксперименты были произведены также
на эвглене и таракане [32, 56].
Хотя обычно считалось, что при постоян-
ной температуре и освещении большинство
организмов растут и делятся нормально,
вполне возможно, что это и не так. Например,
в ряде работ, в частотности в работе Хилмена
[34], было показано, что листья растений то-
мата оказываются поврежденными, если их
выдерживать при постоянной температуре
и освещении. В работе Хилмена было обна-
ружено такое повреждающее действие в диапа-
зоне температур от 14 до 30°. Как и следовало
ожидать, при переменном световом режиме
никаких повреждений не наблюдалось. Но
Хилмен нашел, что 24-часовой температурный
цикл также предохраняет листья томата от
повреждения. Опыты проводились при сле-
дующих температурных режимах:
26° в течение 16 час—10° в течение 8 час
20° » » 16 » —30° » » 8 »
30° » » 16 » —17° » » 8 »
товой.
Влияние температуры Via суточные ритмы
175
Таким образом, широко распространенное представление о' существо-
вании светолюбивой и темнолюбивой фаз, по-видимому, неверно. Значи-
тельно правдоподобнее представление о том, что для нормального функцио-
нирования организма необходимо, чтобы его биологические часы находились
в действии.
ВЛИЯНИЕ ОДНОКРАТНЫХ ИЗМЕНЕНИЙ ТЕМПЕРАТУРЫ
Как уже отмечалось, эксперименты Питтендрая (см. фиг. 6) показали,
что {однократное изменение температуры оказывает заметное влияние
на ритм. Сейчас, опираясь на целый ряд дополнительных эксперименталь-
ных данных, мы уже можем высказать следующее общее утверждение:
однократное изменение температуры (и импульсное, и скачкообразное)
может изменить фазу ритма.
Заметим, однако, что в большинстве ранних экспериментов основное
внимание исследователей было уделено вопросу об эндогенном или экзо-
генном характере ритма. С этой точки зрения вопрос сводился к тому,
будет ли температурный импульс замедлять или останавливать ход посту-
лированных «метаболических часов». После того как Питтендрай и Брюс
[11 предложили свою осцилляторную модель, этот вопрос ставится в иной
плоскости, а именно: может ли сдвиг температуры изменить фазу идущих
часов?
Полезно и необходимо рассмотреть обе точки зрения, так как осцилля-
торная модель допускает возможность существования определенных тем-
пературных пределов, вне которых эта модель уже неприменима и измене-
ние температуры может останавливать часы [35]. При очень низких тем-
пературах — около 0° — ритмические процессы обычно уже не наблю-
даются. Так, в работе Брауна и Вебб [5] сообщалось, что у краба Uca
часы останавливались точно на то время, когда организм находился при
низкой температуре. Правда, в более тщательных экспериментах [36, 37]
было обнаружено, что это правило выдерживается не всегда. Скорее, можно
сказать, что эффект зависит главным образом от того, в какой фазе цикла
система подвергнута действию низкой температуры.
Многие исследователи, работая с очень разными организмами, подтвер-
дили это положение (см. табл. 2). Бюннинг и Руддат [38] наблюдали это
явление на Oedogonium. Бюннинг сообщил, что у Periplaneta чувствительная
к температуре часть цикла начинается во второй половине световой фазы,
а максимум чувствительности приходится на начало темновой фазы. Гофман
(личное сообщение) обнаружил, что у ящериц максимальный эффект низкой
температуры (1—3°) приходится на время максимальной активности.
В табл. 2 приведен также ряд других данных.
Мы хотели показать отличие описанных выше экспериментов от тех,
в которых импульсный или скачкообразный температурный режим приме-
нялся к системам, находившимся в состоянии нормального ритмического
процесса. Как мы уже видели, в опытах второго рода в большинстве случаев
наблюдается сдвиг фазы, который затем постепенно ликвидируется (фиг. 6
и 17). Как для Drosophila, так и для Phaseolus это явление наблюдалось
многократно.
Как показали эксперименты Питтендрая, этот эффект также заметно
зависит от фазы ритма (фиг. 17). Существенно, что температурный импульс
вызывал появление пика спустя 40 час, т. е. сдвиг фазы был связан с време-
нем изменения температуры. Следующий пик значительно уменьшил этот
сдвиг, но все же некоторый суммарный фазовый сдвиг остался.
176
Б. Суини, Дж. Гастингс
Случаи возникновения ритмов под влиянием одиночных температурных
импульсов заслуживают специального обсуждения. Бюннинг [4] отмечает,
что в растениях Phaseolus, уже утративших ритм, его можно снова восста-
новить, подвергнув эти растения действию повышенной на 5° температуры
в течение 1 час. По данным Питтендрая [3], в результате 4-часового выдер-
живания культуры при повышенной температуре (16°—26°—16°) у нее
появляется 24-часовой ритм, хотя ранее эта культура, находившаяся
в постоянной темноте, ритмом не обладала. В этом отношении действие тем-
пературного импульса сравнимо с действием света.
Пытаясь объяснить возможный механизм подобного действия однократ-
ных изменений температуры на культуру Drosophila, Питтендрай выдвигает
две альтернативные гипотезы [3, 40, 41]:
1. Организм наследует стоящие часы (осцилляторный механизм),
которые запускаются в действие однократным стимулом.
Фиг. 17. Ритм вылета Drosophila после изменения температуры в условиях постоянной
темноты [40].
До начала опыта культура выдерживалась при температуре 26° в условиях чередования света и
темноты. Начало последнего светового периода принято за начало отсчета времени. Через раз-
личные промежутки времени после начала опыта (24—48 час) температуру резко меняли с 26 до 16°
(см. диагональную линию (а — а). Кружочки соответствуют максимумам вылета.
2. Наследуются идущие часы, причем фаза колебаний у разных индиви-
дуумов распределена случайно, так что во всей популяции в целом ритм
не проявляется. Действие стимула сводится к синхронизации часов отдель-
ных особей.
Вторая гипотеза предпочтительнее, так как ее подтверждает ряд изящ-
ных экспериментов, в которых инициированный одиночным стимулом ритм
сравнивался с ожидаемым эффектом синхронизации. Бюннинг [39], обсу-
ждая эти возможности, склоняется в пользу второй гипотезы. К такому же
выводу пришли Болл и Дайк [42].
Однако на основании имеющихся данных вторая гипотеза может быть
логически исключена, так как влияние температурного импульса (повыше-
ние температуры с последующим понижением, или наоборот) и скачкообраз-
ного изменения температуры на фазу идущих часов одинаково (см. фиг. 17).
После резкого, но временного сдвига фазы система возвращается к перво-
начальному состоянию. Если бы часы разных индивидуумов имели разную
фазу, то подобное влияние не могло бы их синхронизировать.
Такое заключение следует (хотя это окончательно и не доказано)
из экспериментов, в которых изучался ритм деления Gonyaulax. В культурах,
Влияние температуры на суточные ритмы
177
обладавших ритмом, деление отдельных клеток происходило с периодом
24, 48, 72... час. В культурах же, выращенных при постоянном ярком
свете и не обладавших общим ритмом, у отдельных клеток также не было
обнаружено такой периодичности. Исследования ритмов фотосинтеза
у этих же организмов привели к аналогичным выводам [43].
ЛИТЕРАТУРА
1. Pittendrigh С. S., Bruce V. G., An oscillator model for biological clocks,
pp. 75—109. Rhythmic and Synthetic Processes in Growth, ed. Rudnick. Prin-
ceton, Princeton University Press, 1957.
2. Kramer G., Experiments on bird orientation, Ibis, 94, 265—285, 1952.
3. P i t t e n d r i g h C. S., On temperature independence in the clock system con-
trolling emergence time in Drosophila, Proc. Nat. Acad. Sci. U. S., 40, 1018—1029,
1954.
4. Biinning E., Untersuchungen uber die autonomen tagesperiodischen Bewegun-
gen der Primarblatter von Phaseolus multiflorus, Jahrb. Wiss. Bot., 75, 439—
480, 1931.
5. В г о w n F. A., Webb H. M., Temperature relations of an endogenous daily
rhythmicity in the fiddler crab Uca, Physiol. Zool., 21, 371—381, 1948.
6. Hastings J. W., Sweeney В. M., On the mechanism of temperature
independence in a biological clock, Proc. Nat. Acad. Sci. U. S., 43, 804—811,
1957.
7. Buhnemann F., Das endodiurnale System der Oedogoniumzelle. III. Uber
den Temperatureinfluss, Zeit. Naturforsch., 10b, 305—310, 1955.
8. В г о w n F. A., Biological chronomerty, Amer. Nat., 91, 129—133, 1957.
9. Bruce V. G., P i t t e n d r i g h C. S., Temperature independence in a unicel-
lular «clock», Proc. Nat. Acad. Sci. U. S., 42, 676—682, 1956.'
10. Leinweber F. J., Uber die Temperaturabhangigkeit der Periodenlange bei
der endogenen Tagesrhythmik von Phaseolus, Zeit. f. Bot., 44, 337—364, 1956.
11. Went F. W., The periodic aspect of photoperiodism and thermoperiodicity,
p. 551—564. Photoperiodism and Related Phenomena in Plants and Animals,
ed. Withrow. Washington, A. A. A. S., 1959,
12. В e 1 i n g I., Uber das Zeitgedachtnis der Bienen, Z. vergl. Physiol., 9, 259—338,
'1929.
13. Wahl O., Neue Untersuchungen fiber das Zeitgedachtnis der Bienen, Zeit. vergl.
Physiol., 16, 529—589, 1932.
14. К a 1 m u s H., Uber die Nature des Zeitgedachtnisses der Bienen, Zeit. f. vergl.
Physiol., 20, 405—419, 1934.
15. R e n n e r M., Neue Versuche uber den Zeitsinn der Honigbiene, Zeit. f. vergl.
Physiol., 40, 85—118, 1957.
16. К alm us H., Tagesperiodische verlaufende Vorgange an der Stabheuschrecke
(Dixippus morosus) und ihre experimentelle Beeinflussung, Zeit. f. vergl. Physiol.,
25, 494—508, 1938.
17. К a 1 m u s H., Periodizitat und Autochronie (Ideochronie) als zeitregelnde Eigen-
schaften der Organismen, Biol. Gen., 11, 93—114, 1935.
18. В ii n n i n g E., Zur Kentnis der endogenen Tagesrhythmik bei Insekten und bei
Pflanzen, Ber. deutsch. bot. Ges., 53, 594—623, 1935.
19. Grossenbacher K- A., Autonomic cycle of rate of exudation of plants, Amer.
J. Bot., 26, 107—109, 1939.
20. Brown F. A., Living clocks, Science, 130, 1535—1544, 1959.
178
Б. Суини, Дж. Гастингс
21. Webb Н. М., Brown F. A., S a n d е е n М. I., A modification in the frequen-
cy of the persistent daily rhythm of the fiddler crab, Anat. Rec., 120, 796, 1954.
22. H a s t i n g s J. W., S ween ey В. M., The Gonyaulax clock, p. 567—584. Pho-
toperiodism and Related Phenomena in Plants and Animals, ed. Withrow.
Washington, A. A. A. S,, 1959.
23. S w e e n e у В. M., Hastings J. W., Rhythmic cell division in populations
of Gonyaulax polyedra. J. Protozool., 5, 217—224, 1958.
24. Ehret C. F., Photobiology and biochemistry of circadian rhythms in non-photo-
synthesizing cells, Fed. Proc., 18, 1232—1240, 1959.
25. Pittendrigh C. S., Bruce V. G., Rosensweig N. S., Rubin
M. L., A biological clock in Neurospora, Nature, 184, 169—170, 1959.
26. Heckrotte C., The effect of environmental factors on the locomotory activity
of the Plains garter snake (Thamnophis radix). Ph. D. Thesis, University of Illi-
nois, 1960.
27. Stern K-, В ii n n i n g E., Uber die Tagesperiodischen Bewegungen der Pri-
marblatter von Phaseolus multiflorus. I. Der Einfluss der Temperatur auf die
Bewegungen, Ber. deutsch. bot. Ges., 47, 565—584, 1929.
28. В e n t 1 e у E. W., Gunn D. L., E w e r D. W., The biology and behavior of
Ptinus tectus Boie. (Coleoptera, Ptinidae) a pest of stored products. I. The daily
rhythm of locomotory activity, especially in relation to light and temperature,
J. Exper. Biol., 18, 182—195, 1941.
29. Claudsley-Thompson J. L., LXIX — Studies in diurnal rhythms.
III. Photoperiodism in the cockroach Periplaneta americana (L), Ann. Mag. Nat.
Hist. Ser., 12, 6, 705—712, 1953.
30. S c h m i d 1 e A., Die Tagesperiodizitat der asexuellen Reproduktion von Pilobolus
sphaesosporus, Arch. f. MikrobioL, 16, 80—100, 1951.
31. Uebelmesser E. R., Uber den endonomen Tagesrhythmus der Sporangien-
tragerbildung von Pilobolus, Arch. f. MikrobioL, 20, 1—33, 1954.
32. Roberts S. K-, Circadian activity rhythm in cockroaches. Ph. D. Thesis, Prin-
ceton University, 1959.
33. P i t t e n d r i g h C. S., Perspectives in the study of biological clocks, p. 289—
268. Perspectives in Marine Biology, ed A. A. Buzzati-Traverso. Berkeley and
Los Angeles: University of California Press, 1958.
34. H i 1 1 m a n W. S., Injury of tomato plants by continuous light and unfavorable
photoperiodic cycles, Amer. J. Bot., 43, 89—96, 1956.
35. В ii n n i n g E., Physiological mechanism and biological importance of the endo-
genous diurnal periodicity in plants and animals, p. 507—530. Photoperiodism
and Related Phenomena in Plants and Animals, ed. Withrow. Washington,
A. A. A. S., 1959.
36. Webb H. M., Bennett M. F., Graves R. C., Stephens G. C., Rela-
tionship between time of day and inhibiting influence of low temperature on the
diurnal chromatophore rhythm of Uca, Biol. Bull., 105, 386—387, 1953.
37. Stephens G. C., Influence of temperature fluctuations on the diurnal mela-
nophore rhythm of the fiddler crab Uca, Physiol. ZooL, 30, 55—69, 1957.
38. Biinning E., Ruddat M., Weitere Experimente zur Deutung der physiolo-
gischen Uhr als Kippschwingungssystem, Zeit. f. Naturf. (in press), 1960.
39. В ii n n i ng E., Endogenous diurnal cycles'of activity'in’plants, p. Ill—126. Rhyth-
mic and Synthetic Processes in Growth, ed. Rudnick. Princeton, Princeton Uni-
versity Press, 1957.
40. Pittendrigh C. S., Bruce V. G., Kaus P., On the significance of tran-
sients in daily rhythms, Proc. Nat. Acad. Sci. U. S., 44, 965—973, 1958-
41. Pittendrigh C. S., Bruce V. G., Daily rhythms as coupled oscillator sys-
tems and their relation to thermoperiodism and photoperiodism, p. 475—505,
Влияние температуры на суточные ритмы
179
Photoperiodism and Related Phenomena in Plants and Animals, ed. Withrow.
Washington, A. A. A. S., 1959.
42. Ball N. G., Dyke I. J., The effects of decapitation» lack of oxygen, and low
temperature on the endogenous 24-hour rhythm in the growthrate of the Avena
coleoptile, J. Exper. Bot., 8, 323—338, 1957.
43. Sweeney В. M., Cold Spring Harbor Symp. on Quant. Biol., Vol. 25, 1960.
44. Ball N. G., D у к e I. J., An endogenous 24-hour rhythm in the growth rate of the
Avena coleoptile, J. Exper. Bot., 5, 421—423, 1954.
45. Overland L., Endogenous rhythm in opening and odor of flowers of Cestrum
nocturnum, Amer, J. Bot., 47, 378—382, 1960.
46. Mori S., Cold Spring Harbor Symp. on Quant. Biol., Vol. 25, 1960.
47. Welsh J. H., The sinus glands and twentyfour hour cycles of retinal pigment
migration in crayfish, J. Exper. Zool., 86, 35—49, 1941.
48. В tinning E., Uber den Temperatureinfluss auf die endogene Tagesrhythmik,
besonders bei Periplaneta americana, Biol. ZbL, 77, 141—152, 1958.
49. Hoffmann K., Uber den Einfluss der Temperatur auf die Tagesperiodik bei
einem Poikilothermen, Naturwiss., 44, 358, 1957.
50 R awson K. S., Homing behavior and endogenous activity rhythms. Ph. D. The-
sis, Harvard Unversity, Cambridge, 1956.
51. R awson K- S., Experimental modification of mammalian endogenous activity
rhythms, p. 791—800. Photoperiodism and Related Phenomena in Plants and
Animals, ed. Withrow. Washington, A. A. A. S., 1959.
52. M e n а к e r M., Endogenous rhythms of body temperature in hibernating bats,
Nature, 184, 1251 — 1252, 1959.
53. M e n а к e r M., Cold Spring Harbor Symp. on Quant. Biol., Vol. 25, I960-
54. В tinning E., Tazawa M., Uber den Temperatureinfluss auf die endogene
Tagesrhythmik bei Phaseolus, Planeta, 50, 107—121, 1957.
55. P a r d i L., G r a s s i M., Experimental modification of directionfinding \nTali-
trus saltator (Montagu) and Talorchestia deshayesei (Aud.) (Crustaceae-Amphi-
poda), Experimentia, 11, 202—205, 1955.
56. Bruce V. G., Pittendrigh C. S., Cold Spring Harbor Symp. on Quant.
Biol., Vol. 25, 1960.
57. De С о u r s e у P., Ph. D. Thesis, University of Wisconsin, Madison, 1960.
58. De С о u r s e у P., Cold Spring Harbor Symp. on Quant. Biol., Vol. 25, 1960.
59. Hastings J. W., Sweeney В. M., The luminescent reaction in extracts
of the marine dinoflagellate, Gonyaulax polyedra, J. Cell. Comp. Physiol., 49,
209—226, 1957.
60. Handbook of Biological Data, ed. W. S. Spector. Philadelphia, W. B, Saunders
and Co., 1956,
ОБСУЖДЕНИЕ ДОКЛАДА
Харкер. Разрешите мне привести довод в пользу того, что длитель-
ные и мгновенные процессы не следует рассматривать совместно.
При рассмотрении переходных процессов, вызванных изменением
режима освещения или температуры, существенно, мне кажется, помнить,
что в экспериментах по исследованию ритма вылета дрозофилы каждое
определение соответствует какому-то процессу, происходящему с одной
мухой. В двух последовательных пиках вылета участвуют насекомые, кото-
рые в момент получения сигнала, вероятно, находились на очень различных
стадиях развития. В частности, различные стадии линьки насекомых могут
обладать разной чувствительностью к температурному сигналу. Первый пик
180
Б. Суини, Дж. Гастингс
вылета создают те мухи, которые к моменту температурного сигнала уже
были готовы к линьке, но этот процесс был задержан из-за понижения тем-
пературы. Ко второму пику могут относиться мухи, у которых температура
повлияла на способность окукливаться, к следующему же — мухи, которые
к моменту действия температуры находились на стадии личинок или яиц
и на которых понижение температуры никак не отразилось. Таким образом,
наблюдаемые переходные процессы могут быть обусловлены действием тем-
пературы на непериодические процессы.
Питтендрай. Возможность того, что подобные переходные про-
цессы, индуцированные температурным импульсом, обусловлены влиянием
температуры на непериодический процесс, была уже тщательно рассмотрена.
Мне кажется, что проведенный в моей работе (см. стр. 262) анализ фиг. 6
и 1, А показывает, что такая точка зрения должна столкнуться по крайней
мере с серьезными трудностями. Я лично не вижу возможности, каким
образом, исходя из непериодического процесса, можно было бы объяснить
все детали наблюдаемых на опыте переходных кривых, представленных
нафиг. 1, А. Наконец, результаты, представленные мной на фиг. 4 и 5,
также почти безусловно требуют принятия модели осциллятора, чувстви-
тельного к температуре.
Г астинг с. Мне хотелось бы выяснить некоторые детали в связи
с работой Хилмена, в которой температурный цикл предотвращал повре-
ждение листьев томата на постоянном свету. В опыте, проведенном в эрхар-
товской лаборатории, смену температур осуществляли, кажется, посред-
ством переноса растений из одной комнаты в другую, причем комнаты были
соединены коридором, освещенность в котором была иной, чем в комнатах.
Хотя в то время это могло казаться несущественным, сейчас, однако, ясно,
что здесь нужен был контрольный опыт с переносом растений в отсутствие
смены температур. Не могло ли случиться, что повреждение листьев предот-
вращалось в результате изменения освещения при переносе растений из ком-
наты в комнату? Мне хотелось бы, чтобы д-р Вент разъяснил это обстоя-
тельство.
В е н т. Работа Хилмена была повторена Кристоферсеном, который
производил смену температур очень быстро. Было также обнаружено, что
эффективной оказывается разница температур не менее 4°. Таким образом,
в опытах Хилмена защитный эффект не был, по-видимому, связан со спо-
собом перемещения растений.
Бюннинг. Я хотел бы коснуться вопроса о положительном и отри-
цательном температурных коэффициентах. Наблюдаются два различных
температурных эффекта. С одной стороны, температура изменяет период
времени, в течение которого система проходит от одного максимума до дру-
гого. Если мы определяем этот период, мы вынуждены работать в диапазоне
нормальных физиологических температур. В этих условиях в большинстве
случаев значения найденных температурных коэффициентов лежат в интер-
вале 1,0—1,1. С другой стороны, когда мы работаем с предельно низкими
или иногда с предельно высокими температурами, наблюдается другой
эффект. В этих случаях система фактически не совершает уже правильных
колебаний. Выражаясь в терминах теории релаксационных колебаний,
можно сказать, что фаза напряжения заканчивается прежде, чем напряже-
ние в системе достигает максимума. Подобное явление наблюдается также
при подавлении дыхания, вызываемом не только экстремальными (низкими
или высокими) температурами, но и химическими ядами. Так, под действием
низких температур (в большинстве случаев между 0° и 10°) первоначально
наблюдается значительное укорочение периодов и лишь потом колебания
Влияние температуры на суточные ритмы
181
вообще прекращаются. По-видимому, именно этим объясняются наблюдае-
мые в некоторых случаях низкие значения температурного коэффициента
(0,8 или даже менее).
Суини. Вероятно, это объяснение хорошо подходит для случая
Phaseolus, когда укороченные периоды появляются лишь при совсем низких
температурах. Но мне кажется, что в случаях Oedogonium и Gonyaulax,
у которых период увеличивается с повышением температуры во всем физио-
логическом диапазоне изменения последней, низкое значение Qlo следует
объяснить иначе. Мне хотелось бы еще раз подчеркнуть, что появление
величин Qto < 1 вполне может быть объяснено неточной работой механизма
компенсации температурных эффектов.
Бюннинг. Д-р Вент интересовался, каким образом данные
о довольно низком значении температурного коэффициента согласуются
с моими прежними результатами, дающими Q10 =1,2 для Phaseolus, и с ана-
логичными значениями, полученными в его собственных экспериментах
с растениями, развивающимися в условиях периодических световых циклов,
период которых отличается от 24 час. На первую часть вопроса ответила
д-р Суини. В этих ранних экспериментах переходные процессы не исключа-
лись при вычислении. По поводу второй части вопроса можно заметить, что,
насколько мы знаем, растения в некоторой степени могут приспосабливать
свои циклы к переменному световому режиму с длиной периода, отличаю-
щейся от 24 час на ±5 час. Эта способность приспосабливаться к удлиненным
или укороченным периодам различна при низких и высоких температурах.
Возможно, что это и есть одна из причин, объясняющих результаты опыта
д-ра Вента.
Ашофф. Как уже отметил д-р Питтендрай, возможно, не следует
говорить о независимости периода ритма от температуры; значительно
точнее будет говорить о температурной зависимости, указывая ее характер.
Это, по-видимому, не только более правильно, но и более важно.
Суини. Да, конечно. Это будет точно и недвусмысленно. Но, как
я отмечала в своей работе, термин «температурная независимость» позволяет
сразу и наглядно выразить сущность явления. Мы также отмечали, что
не следует неправильно истолковывать этот термин. Каждый термин может
быть кем-нибудь неправильно понят, и следует уменьшать такую воз-
можность.
Солбергер. Если несколько индивидуумов содержатся совместно
при постоянной внешней температуре, то их собственные тела будут менять
температуру локальной среды. Таким образом, в окружающей их среде
появится ритм изменения температуры, совпадающий со спонтанной перио-
дичностью, и в дальнейшем эти ритмы будут влиять друг на друга.
к. Р А у с О Н
Влияние температуры тела на ритмы
активности млекопитающих
о
Благодаря существованию эндогенных циркадных ритмов животные
могут определять время дня независимо от внешних факторов. Такие «биоло-
гические часы» помогают животным строго поддерживать ночной или днев-
ной образ жизни или обеспечивать ориентацию по солнцу при условии, что
период часов не сильно отличается от 24 час.
Среди прочих факторов на точность такого физиологического ритма
влияет и температура тела. Для того чтобы сохранялась стабильность
ритма, значение коэффициента Qio должно быть близким к 1, в противном
случае постоянство ритма должно обеспечиваться постоянством температуры
тела. Следовательно, удтойкилотермных животных «часы» должны быть
нечувствительны к изменениям температуры. И действительно, такая
нечувствительность была широко продемонстрирована [1—4].
Напротив, млекопитающие и птицы благодаря строгой регуляции тем-
пературы тела теоретически могут использовать в качестве определителя
времени для эндогенных ритмов физиологические механизмы, более чув-
ствительные к изменениям температуры. Я изучал влияние температуры
на циркадные ритмы у оленьей мыши, хомяков и летучих мышей. Для изме-
рения периода ритма была выбрана двигательная активность животных.
Мышей и хомяков помещали в клетки с вращающимся колесом и регистри-
ровали число оборотов колеса в минуту. Регистрация подвижности летучих
мышей производилась в клетках, подвешенных на пружине.
ОПЫТЫ С ОХЛАЖДЕНИЕМ МЫШЕЙ
Perotnyscus leucopus noveboracensis — гомойотермное млекопитающее,
поддерживающее температуру тела на сравнительно постоянном уровне.
В условиях низкой температуры окружающей среды у некоторых особей
температура тела может падать, тогда как у других дополнительная потеря
тепла компенсируется увеличением интенсивности метаболизма [5]. Я заме-
тил, что в группе Peromyscus leucopus noveboracensis, содержавшихся в клет-
ках на открытом воздухе, некоторые особи становились вялыми, оцепенев-
шими, когда окружающая температура была на несколько градусов ниже
нуля. Температуру тела этих животных я не измерял, но заметил, что они
становятся вновь активными лишь после нескольких минут отогревания
в моей руке. Исходя''из этих наблюдений, я решил попытаться снизить тем-
Влияние температуры тела на ритмы активности млекопитающих 183
пературу тела мышей на длительный период. Для этого мышей наркотизи-
ровали пентабарбиталом натрия. Такой наркоз нарушает терморегуляцию,
что позволяет поддерживать низкую температуру тела животных в течение
нескольких часов.
Предварительно в течение нескольких дней записывался ритм активности
мышей в условиях полной темноты. Таким образом, период ритма и время
- 1 । л.* —д •
I X .1.1 I 1 i I-Ll-L 111x1.1 1..1 i I 1 1 1 I 1 1 I I 1 1 J 1 1 1 . 1 ! I t 1 . I . I . 1
!2 2 4 6 8 10 12 2 4 ff 8 10 12
Время суток
Фиг 1 Двигательная активность Peromyscus в полной темноте.
Прив»дена запись поведения одного животного в течение 14 последовательных дней
(начало — вверху) Ордината для каждого дня — скорость вращения колеса (от 0 до 100
оборотов за Н/i мин)
начала активности были хорошо известны (фиг. 1) [6]. Затем животных
осторожно извлекали из клетки и при слабом свете вводили им внутрибрю-
шинно пентабарбитал натрия. Примерно через 3 мин наступал глубокий
40 г
Температура тела, °C
5
<?482
Фиг. 2. Ректальная температура мышей, изме-
ренная во время наркотического действия пента-
барбитала.
Пунктирные горизонтальные линии обозначают средние
температуры. На записях активности можно заметить за-
держку, вызванную охлаждением тела. Л — время, в тече-
ние которвго животное находилось под действием наркоза.
4 490
Влияние температуры тела на ритмы активности млекопитающих
185
наркоз. Для измерения температуры тела в прямую кишку животным
вставляли термопару. К передним лапкам присоединяли электрокардиограф,
при помощи которого записывали ритм сердца. После этого мышь либо
помещали на металлический лоток, плававший в ледяной ванне (если требо-
валось снизить температуру тела), либо на грелку (если температура должна
была поддерживаться на уровне 37°). Ректальную температуру и частоту
сердечных сокращений измеряли каждые 5 мин. Опыты длились обычно
около 6 час. В течение всего периода опыта помещение освещалось слабым
светом — около 5 лк, но сами животные были защищены от света. В конце
опыта, как только наркоз проходил, мышей помещали в камеру для записи
активности и продолжали записывать ритм активности в полной темноте.
Изменения ритмической активности животных, связанные с описанными
выше воздействиями, можно проследить по записи активности.
На фиг. 2 приведены записи 4 опытов, а в табл. 1 — результаты всех
опытов с Peromyscus. В первом случае, приведенном в таблице, мыши под-
вергались наркозу в течение 8 час, но запись температуры тела не произво-
дилась. Температура воздуха вокруг животного была 21°, и температура
тела без сомнения была понижена. Второй опыт проводился в тех же усло-
виях, что и первый, за исключением того, что наркоз не был столь длитель-
ным. Средняя температура тела в этом случае была 31,2°, а поскольку тем-
пература тела падала в течение всего периода наркоза до тех пор, пока
животное не выходило из наркотизированного состояния (см. фиг. 2),
Таблица 1
Влияние температуры тела на эндогенные ритмы у Peromyscus
(опыты 1—12) и хомяков (опыты 13 и 14)
Опыт Средняя температура во время наркоза, °C Длительность наркоза, час Задержка очередной фазы актив- ности, мин Qio
1 30 (приближенная 8,0 22 1,07
оценка)
2 31,2 4,0 35 1,31
3 23,5 5,7 25 1,06
4 25,5 7,1 85 1 ,23
5 24,3 6,7 124 1,35
6 22,2 6,5 51 1,09
7 30,8 1,1 11 1,33
8 36,7 4,7 0 —
9 37,0 5,5 22 —
10 37,0 5,5 0 —
11* 37 (приближенная 4,1 0 —
оценка)
12* 37 (приближенная 4,0 0 —
оценка)
13** 17,0 3,3 37 1,10
14** 13,8 2,7 47 1,11
* Эфирный наркоз.
** Охлаждение без наркоза.
186
К. Р а у с о н
средняя температура тела мыши в 1-м опыте была, по-видимому, ниже 31°.
В опытах 3—6 температуру тела мышей понижали (примерно до 22°)
на несколько часов, в опыте 7 была сделана попытка быстрого охлаждения
и последующего нагревания животных. В опытах 8—12 температура тела
поддерживалась на уровне 37°, что является нормальной температурой для
этих животных [5]. Определить нормальную температуру тела в наших
опытах не удавалось, так как ненаркотизированные животные были очень
беспокойны.
До начала активности В период актив-
ности
Время, час*
Фиг. 3. Задержка очередной фазы активности как функция времени нанесения
раздражения.
Точки, лежащие ниже линии, обозначающей отсутствие задержки, также соответствуют нулевой
задержке. Все определения проведены на одной особи Peromyscus.
Температурный коэффициент (Q10) Для эндогенных ритмов активности
был вычислен на основании следующего соотношения:
ю
где L — время, в течение которого животные находились при пониженной
температуре, «S — возникшая в результате охлаждения задержка очередной
фазы активности, выраженная в тех же единицах, что и L, и Д/ — среднее
снижение температуры тела ниже уровня 37°. Вычисленные таким образом
значения коэффициента Q10 весьма приблизительны. Тем не менее цифры,
приведенные в последней графе табл. 1, позволяют заметить, что в данном
случае величина Q10 много ниже, чем для большинства биологических
процессов (обычно значения Qlo варьируют между 2,0 и 3,0). Фактор,
который мог бы изменить значение Q10> — это задержка первой после пре-
кращения наркоза фазы активности, вызванная возбуждением животного
процедурой опыта. Однако это только увеличивает величину Q10, следова-
тельно, истинное значение коэффициента будет ниже вычисленного в наших
опытах. Как показывают результаты опытов 8—10, задержку ритма вызывает
именно гипотермия. В этих опытах животные были наркотизированы пента-
барбиталом, но температура их тела поддерживалась на уровне 37°. В опытах 8
и 10 сколько-нибудь заметной задержки не было совсем. Задержка 22 мин,
Влияние температуры тела на ритмы активности млекопитающих 187
которая наблюдалась в опыте 9, могла возникнуть из-за неполадок в аппа-
рате и беспокойства животных, связанного с исправлением их.Количество
пентабарбитала натрия (0,88 мг/час), необходимое для того, чтобы поддер-
живать животных в наркотизированном состоянии при 37°, более чем вдвое
превосходит количество, необходимое для животных с пониженной темпера-
турой (0,36 мг/час). Таким образом, если бы эффект определялся самим
наркотизирующим веществом, мыши, температура которых поддерживалась
на уровне 37°, должны были бы иметь более глубокие нарушения. Эти резуль-
таты показывают также, что продолжительность наркоза и воздействие
света и звуков во время наркоза не оказывают сколько-нибудь заметного
влияния на ритм активности. Такие же результаты получены в двух опытах,
в которых был применен эфирный наркоз и температура тела поддержива-
лась около 37°.
Некоторые сведения о влиянии на ритм неизбежного возбуждения при
поимке мыши были получены путем количественного анализа задержек
очередного периода активности, вызванных раздражением мыши в различ-
ные фазы ритма. Для этих опытов было выбрано животное с наиболее четким
ритмом, так как измеряемые задержки часто были очень малы и при менее
точных периодах их было бы невозможно заметить. На фиг. 3 показана вели-
чина задержки как функция фазы ритма, в которую наносилось раздражение.
При раздражении во время фазы активности наблюдались заметные задержки
следующей активной фазы. Иногда они достигали 80 мин, но чаще были
около 40 мин. В трех опытах с гипотермией наркоз давали в периоды отсут-
ствия активности, а в четырех других — полностью или частично во время
активной фазы. В этих последних случаях можно было бы ожидать значи-
тельного эффекта за счет простого раздражения животных. Но в опыте 10
(табл. 1), в котором животное находилось под действием наркоза во время
фазы активности, а температура тела поддерживалась на уровне 37°,
задержка следующей фазы активности не произошла.
ОПЫТЫ С ОХЛАЖДЕНИЕМ ХОМЯКОВ
Влияние температуры на эндогенные ритмы активности можно было бы
оценить более точно либо путем еще большего снижения температуры тела,
либо путем удлинения периода, в течение которого поддерживается пони-
женная температура. Тогда задержка, связанная в возбуждением живот-
ного, составляла бы меньшую долю от наблюдаемой в опытах задержки.
При наркозе, вызванном пентабарбиталом натрия, температура тела мыши
может быть снижена не более чем до 18°. В то же время постоянный контроль,
необходимый для того, чтобы животное не погибло при такой низкой тем-
пературе, ограничивает длительность опыта. Смит, Ловелок и Паркес [7]
описали способ вызывания гипотермии у хомяков, с помощью которого им
удавалось сохранять животных при низкой температуре в течение длитель-
ного времени. Хомяки, которые обычно впадают в спячку при температуре
тела ниже 5°, без труда выносят условия опыта. Для моих опытов особенно
удобным оказалось то, что хомяки проявляют точные эндогенные ритмы
активности. У семи животных, с которыми я работал, индивидуаль-
ные вариации точности были примерно такими же, какие я наблюдал
у Peromyscus. Из семи животных р опытах с охлаждением выжили
только два. Запись одного из этих опытов приведена на фиг. 4, где пока-
зана активность животного, проявлявшаяся в полной темноте до и после
опыта.
188
К- Раус о н
Чтобы вызвать гипотермию, хомяка поместили в плотно закрытую
литровую банку и погрузили в лед. Примерно через час бесчувственный
хомяк был извлечен из банки и помещен прямо в ванну с ледяной водой
для дальнейшего снижения температуры тела. Записывали ректальную тем-
пературу и ритм сердца. После того как температура тела упала ниже 5°,
зверька извлекли из ванны. Температура воздуха в помещении была 22°.
Намокание животного при такой методике вызывает чрезмерную теплоот-
дачу, в результате чего состояние животного быстро ухудшается, о чем
Фиг. 4. Влияние гипотермии на ритм активности.
Обозначения те же, что и на фиг. 2. С — длительность гипотермии. Объяснение см. в тексте.
можно судить по ритму сердца. Поэтому пришлось прекратить оба опыта
через 3,5 и 2,7 час. Это был пробный опыт, в котором условия сохранения
низкой температуры тела лишь в самом грубом приближении напоминали те,
которые были предложены в работе Смита, Ловелока и Паркеса. Но хотя
основная цель не была достигнута — не удалось получить задержку, зна-
чительно превышающую возможный эффект возбуждения, результаты,
приведенные в табл. 1, показывают, что ответ на снижение температуры тела
сопоставим с результатами, полученными в опытах с Peromyscus.
ОПЫТЫ С ОХЛАЖДЕНИЕМ летучих мышей
Теоретически летучие мыши представляют собой идеальный объект
для изучения влияния температуры на эндогенные ритмы активности млеко-
питающих, поскольку в неактивные периоды животные становятся пойкило-
термными. Для изменения температуры их тела достаточно лишь изменить
температуру окружающей среды, не оказывая на них никаких других воз-
действий. Однако этих животных, питающихся насекомыми, трудно сохра-
нять в лабораторных условиях в течение длительного времени, что сильно
ограничивает возможности изучения ритмов активности. Гриффин и Уэлш
[8] описали ритмы активности трех экземпляров Myotis I. lucifugus. Они
Влияние температуры тела на ритмы активности млекопитающих 189
обнаружили, что у этих мышей сохраняется нормальный характер ночной
активности в течение нескольких дней в полной темноте. Летучая мышь
другого вида — Pipistrellus subflavus — проявляла ритм активности
с периодом немного меньше 24 час в продолжение 13 дней. Другой экземпляр
того же вида тоже проявлял определенный ритм, но активность всегда
начиналась через 24 час после принятия пищи. Животное кормили из рук,
при этом в течение 2—3 час, пока продолжался период кормежки, клетку
приходилось освещать.
С тех пор как был найден корм [9], которым летучие мыши могли
питаться сами, без посторонней помощи, проблема сохранения этих животных
в неволе сильно упростилась, и мне удавалось сохранять летучих мышей
двух видов — Myotis /. lucifugus и Eptesicus f. fuscus — в хорошем состоя-
нии в лабораторных условиях. Постороннее раздражение, связанное с кор-
межкой, было минимальным, поскольку для пополнения запасов свежей
пищи и воды требовалось менее 1 мин.
Фиг. 5. Аппарат для записи ритмов активности летучих мышей.
1 — пружина; 2 — винт; 3 — лопасть в сосуде с маслом; 4 — провода к са-
мописцу; 5 — клетка. Электрические контакты, изготовленные из бронзы с
примесью фосфора, соединены с блоком-изолятором. Нижний контакт сохра-
няет неподвижность благодаря лопасти, погруженной в масло.
Аппарат для записи ритмов активности летучих мышей изображен
на фиг. 5. Он состоит из пары электрических контактов, которые обычно
находятся в разомкнутом состоянии и замыкаются в ответ на изменения
общего веса и положения клетки с животным. Вся система совершает слабые
колебания благодаря сосуду с маслом, в который погружена лопасть одного
из контактов. С помощью этого приспособления удалось в значительной мере
избавиться от слипания контактов. По движениям клетки, которые записы-
вались специальным самописцем, можно было судить об общей активности
животных. Грубой количественной характеристикой активности служила
плотность линии, вырисовывавшейся на ленте самописца.
Описанным способом была записана активность десяти особей Myotis
и трех особей Eptesicus. При этом активность одной особи Eptesicus непре-
рывно регистрировалась в условиях полной темноты в течение 6 месяцев,
а одной особи Myotis— в течение 4,5 месяца. Эти две летучие мыши, как
и некоторые другие, были в превосходном состоянии, когда в конце опыта
они были извлечены из маленькой клетки, в которой производилась запись
Фиг. 6. Запись активности
Eptesicus В в течение 5 меся-
цев.
Каждому дню соответствует одна
горизонтальная линия. Начало за-
писи — вверху фигуры. Длитель-
ность каждой записи 24 час. Записи
большинства суток приведены дваж-
ды, для того чтобы было легче уви-
деть общий рисунок активности.
Периоды
Ф и г. 7. Длительности следующих друг за другом периодов ритма активности летучих
мышей Eptesicus В (А) и Myotis (Б).
Вертикальные прерывистые линии разделяют периоды, протекавшие при разных температурах.
Горизонтальные сплошные линии указывают среднюю длительность периода, вертикальные—стан-
дартную ошибку.
192
К- Р ay со н
их активности, и вскоре после освобождения способны были летать. Шесть
из десяти Myotis имели четкие ритмы активности в постоянных условиях;
правда, у некоторых из них ритм активности зависел от времени кормежки,
так же как в опытах Гриффина и Уэлша с Pipistrellus.
Наиболее четкий эндогенный ритм активности был обнаружен у одной
самки Eptesicus. На фиг. 6 приведены записи активности этой мыши в течение
5 месяцев. Как и в случае оленьей мыши и хомяков, регистрация моментов
начала активности позволяет точно измерить период ритма [6]. Кроме этого
случая, точно измерить период удалось лишь по одному отрезку записи
поведения Myotis I.
Для изучения влияния температуры тела на период ритма активности
у летучих мышей их помещали в холодильник; таким образом температура
во внешней среде изменялась от комнатной (21—22°) до 10°. Две мыши,
которых содержали при температуре ниже 10°, были очень вялыми и не
проявляли никакой активности. Однако недавно Менакеру [10] удалось
записать ритмы температуры тела летучих мышей при температуре окру-
жающей среды ниже 3°.
На основании температурной зависимости, установленной для оленьей
мыши и хомяков, можно было бы ожидать, что у летучих мышей период
ритма при более низкой температуре будет длиннее.
Воздействие различных температур внешней среды на ритмы Epte-
sicus В можно было бы проследить непосредственно по записям активности,
приведенным на фиг. 6. Но поскольку периоды этих ритмов довольно сильно
отличаются от 24 час, я изобразил результаты температурных опытов
с Eptesicus В и Myotis I в другом виде. На фиг. 7 приведены длительности
следующих друг за другом периодов. Средняя длительность ряда последо-
вательных периодов пропорциональна наклону линии, соединяющей точки,
соответствующие началу фаз активности в исходной записи. Средние дли-
тельности периодов изображены сплошными горизонтальными отрезками;
сплошные вертикальные отрезки изображают стандартную ошибку среднего.
Первые 15 периодов Eptesicus В не принимались во внимание при вычисле-
нии первого среднего значения длительности периода при 22°, поскольку
ритм был сильно изменчив. В ходе 5-месячного опыта можно заметить посте-
пенное укорочение периода при 22°. У Myotis I период укорачивался еще
быстрее. Для этой особи длительность периода при 22° измеряли трижды.
Средние значения, полученные на основании этих измерений, соединены
на фиг. 7, Б прерывистой линией. Для определения величины коэффициен-
та Qlo использовались интерполированные значения длительности периодов
(табл. 2).
Изменение длительности периодов во времени изучал Менакер [10],
который нашел, что для летучих мышей через месяц и более после зимней
спячки характерна тенденция к укорочению периода. Особи Eptesicus
и Myotis, с которыми мы работали, находились как раз в таких условиях.
В табл. 2 приведены средние значения длительностей периодов и стати-
стический показатель значимости различия средних при разных температу-
рах. Коэффициент Qio рассчитывался по формуле
10
Т1-Т2

где Pi и Р2— средние длительности периодов при температурах 7\ и Т2.
Были сделаны попытки определить влияние температуры на длительность
периодов у двух других особей Myotis и двух Eptesicus, но записи получи-
Влияние температуры тела на ритмы активности млекопитающих
193
Таблица 2
Влияние температуры на длину периода ритмов активности летучих мышей
Температура окружающей среды, °C Разница температур, °C Средняя длина периода, час Стандартная ошибка, час Значение Р (/-тест) Qio
Eptesicus В
22,0 7,0 21,11 0,10 <0,001 1,04
15,0 4,5 21,70 0,23 <0,1 (1.03)
10,5 10,5 22,01 0,31 <0,001 1,05
21,0 10,5 20,85 0,26 <0,001 1,07
10,5 Н ,5 22,47 1,15 <0,001 1,07
22,0 11,0 20,70 0,16 <0,01 (1,03)
11,0 11,0 21 ,46 0,30 <0,001 1,06
22,0 11,0 20,19 0,29 <0,001 1,07
11,0 21,63 1 ,00
Myotis I
22,0 21,48 0,22
22, 0 7,0 20,85 0,25 (1,01)*
15,0 20,54 0,52
10,5 20,56 0,72
11,5 (1,02)*
22 19,54 0,49
* Для определения <2ю использовано значение периода
при 22°, полученное путем интерполяции.
лись недостаточно четкими, чтобы сколько-нибудь точно измерить периоды
ритмов при разных температурах.
Из табл. 2 видно, что те значении Qlo, определение которых основано
на статистически значимых различиях в длительностях периодов, близки
к 1,07. Наиболее низкие значения Qlo, приведенные в табл. 1 (для оленьей
мыши и хомяков), весьма близки к значениям Qlo, полученным для летучих
мышей. Возможно, что в остальных случаях на величине Qlo сказалось
влияние раздражения животных самой процедурой опыта.
Итак, можно считать четко установленным, что величина коэффициента
Qio, характеризующего влияние температуры на эндогенные ритмы актив-
ности млекопитающих, лежит значительно ниже величин 2—3, характери-
зующих температурную зависимость большинства химических реакций,
протекающих в биологических системах (исключением являются фотохими-
194
К- Раусон
ческие реакции). Следовательно, вряд ли существует простая зависимость
ритма от скорости метаболизма в тех или иных частях организма. Вместе
с тем нельзя сказать, чтобы ритмы абсолютно не зависели от температуры.
Наблюдаемая в наших опытах степень независимости процесса от темпера-
туры может быть результатом существования двух конкурирующих реакций,
каждая из которых характеризуется высоким температурным коэффициен-
том. В этом случае суммарный температурный коэффициент может быть даже
ниже единицы. Подобные низкие значения Qlo были описаны Гастингсом
и Суини [3] для ритмов клеточного деления Gonyaulax. Значения Q10 для
ритмов активности млекопитающих оказались несколько выше 1,0. Это
может означать, что в основе ритма лежит процесс, зависящий от абсолютной
температуры (например, скорость диффузии). При изменении температуры
от 25 до 35° коэффициент Qlo для скорости диффузии составляет 1,03, что
весьма близко к значениям, определенным для оленьей мыши и летучих
мышей. Мы можем постулировать различные механизмы компенсации тем-
пературных эффектов. Поэтому значения температурных коэффициентов
ритмов активности млекопитающих не могут быть использованы в каче-
стве критерия для выбора зависящей от температуры реакции, управляющей
ритмом.
Итак, в заключение мы можем отметить, что у млекопитающих циркад-
ные ритмы зависят от изменения температуры тела не больше, чем у пой-
килотермных животных. Стабильность эндогенных ритмов активности
у оленьей мыши и хомяков обусловлена не относительным постоянством
температуры их тела, а чем-то иным. У этих животных, так же как и у гете-
ротермных летучих мышей, есть механизмы определения времени, нечув-
ствительные к сильным изменениям температуры тела.
ЛИТЕРАТУРА
1. Brown F. A., Webb Н. М., Temperature relations of an endogenous daily
rhythmicity in the fiddler crab, Uca, Physiol. Zool., 21, 371—381, 1948.
2. Bruce V. G., Pittendrigh C. S., Temperature independence in a unicel-
lular «clock», Proc. Nat. Acad. Sci., 42, 676—682, 1956.
3. Hastings J. W., Sweeney В. M., On the mechanism of temperature
independence in a biological clock, Proc. Nat. Sci., 43, 804—811, 1957.
4. Hoffmann K-, Uber den Einfluss der Temperature auf die Tagesperiodik bei
einem Poikilothermen, Naturwiss., 44, 358, 1957.
5. M о r r i s о n P. R., Ryser F. A., Body temperature in the whitefooted mouse
Peromyscus leucopus noveboracensis, Physiol. Zool., 32, 90—103, 1959.
6. R a w s о n K- S., Experimental modification of mammalian endogenous activity
rhythms, Photoperiodism and Related Phenomena in Plants and Animals., ed.
Withrow, Washington, A. A. A. S., 1959.
7. Smith A. U., Lovelock J. E., P a r k e s A. S., Resuscitation of hamsters
after supercooling or partial crystallization at body temperatures below 0° C,
Nature (London), 173, 1136—1137, 1954.
8. Griffin D. R., Welsh J. H., Activity rhythms in bats under constant exter-
nal conditions, J. Mammal., 18, 337—342, 1937.
9. W a 1 k e r E. P., Shrews in shrews, Nature Magazine, 47, 125—128, 1954.
10. M e n a k e r M., Endogenous rhythms of body temperature in hibernating bats,
Nature (London), 184, 1251 — 1252, 1959.
11. Rawson K. S., Homing Behavior and Endogenous Activity Rhythms, Ph. D.
Thesis, Harvard University, 1956.
Влияние температуры тела на ритмы активности млекопитающих
195
обсуждение ДОКЛАДА
Г астинг с. Я хочу сделать одно замечание по поводу превосходного
доклада д-ра Раусона. Если мы примем гипотезу, предполагающую, что
величина Qlo, близкая к 1,0, определяется биохимическим или физико-
химическим механизмом, обеспечивающим компенсацию температурных
эффектов, тогда значения Qlo < 1,0 и Qi0 > 1,0 должны быть отнесены
к одному классу величин. Если компенсация не слишком совершенна,
то у нас нет оснований подозревать, что она всегда неточна в одном и том же
отношении. Я не думаю, чтобы кто-нибудь мог прийти к выводу об идентич-
ности механизмов часов у разных организмов.
Р а у с о н. Я согласен с д-ром Гастингсом в том, что на основании зна-
чения Qlo нельзя выбрать один определенный механизм из многих воз-
можных.
Менакер. Думаю, что я могу внести некоторую ясность в вопрос
д-ра Гофмана (почему свободный период ритмической активности летучих
мышей значительно сокращается после нескольких недель содержания
животных в постоянной темноте?). Изучая циркадные ритмы изменения
температуры тела впадающих в спячку летучих мышей, я обнаружил значи-
тельные различия в величине свободного периода, зависящие от сезона.
У 16 изученных зимних летучих мышей средняя длительность периода была
равна 25 час, тогда как у 7-летних животных при измерении в тех же самых
условиях (5° и полная темнота) она составляла 22 час 20 мин. Далее, если
зимних мышей вывести из состояния спячки и содержать их в теплой комнате
с пищей и водой в течение 2—4 недель, то после возвращения в холодное
помещение у них проявляется короткий («летний») свободный период изме-
нения температуры тела. На основании этих результатов можно предполо-
жить, что изменения длительности периода активности летучих мышей,
наблюдавшиеся Раусоном, связаны с переходом от «зимних» условий (длин-
ный период) к «летним» (короткий период). Направление этих, казалось бы
спонтанных, изменений согласуется с различиями периодов, наблюдаемых
у мышей, впадающих в зимнюю спячку. Более того, время, требующееся
для того, чтобы описанные изменения произошли, оказывается примерно
таким же, как время, необходимое для переключения зимних животных
на летний режим в тех условиях, в которых проводил эксперимент
д-р Раусон.
Р а у с о н. Наблюдения д-ра Менакера над «зимними» мышами действи-
тельно согласуются с нашими результатами. Мой собственный опыт пока-
зывает, что начальная длительность периода может быть меньше, чем 24 час,
и становится еще короче в ходе длительного эксперимента при 22°.
М. УИЛКИНС
Влияние света на ритмы растении
о
ВВЕДЕНИЕ
В естественных условиях растения подвергаются действию 24-часовых
ритмов изменения освещенности и температуры. У многих растений в ответ
на эти ритмы возникают сходные ритмы физиологической активности. Хотя
периодическое движение листьев растений в естественных условиях было
обнаружено еще в XIII в., только в 1759 г. Цинн [1] показал существование
таких периодических движений у растений, перенесенных в постоянные
условия. С тех пор циркадные ритмы, сохраняющиеся в условиях непрерыв-
ного освещения или затемнения при постоянной температуре, были обнару-
жены у растений многих видов, принадлежащих ко всем типам, за исключе-
нием Bryophyta и Bacteria [2]. Недавно были исследованы устойчивые ритмы
роста [3], развития спорангиеносцев [4, 5] и выбрасывания спору грибов
[6], спорообразования [7—11], роста, фотосинтеза, дыхания [12, 13] и люми-
несценции у водорослей [14], а также ритмы изменения формы пластид
у Pteridophyta [15]. В то же время было показано, что у цветковых растений
любой тип физиологической деятельности обнаруживает устойчивые цир-
кадные ритмы, если и не у всех видов, то по крайней мере у одного или
нескольких.
Сохранение ритмов в тканях, не подвергающихся периодической стиму-
ляции в виде изменений интенсивности света и температуры, предполагает
существование часового механизма, или осциллятора, в самой ткани. Необ-
ходимость синхронизирующей стимуляции для возникновения ритмов
в тканях растений [16, 19, 20] и существованйе ритмов в небольших кусочках
мезофилла листа [2], колеоптилях [16], культурах ткани [17] и одноклеточ-
ных организмах [7, 12—14, 18] свидетельствует в пользу того, что в каждой
живой клетке растения имеется часовой механизм. В настоящее время еще
не ясно, следует ли искать эти клеточные осцилляторы среди отдельных
физиологических процессов или же такими свойствами обладают лишь целые
клетки. В данной работе описано влияние условий освещения растительных
тканей на фазу и период наблюдаемого ритма, т. е. на часовой механизм,
или осциллятор.
Для измерения скорости метаболизма двуокиси углерода в растениях,
находящихся при постоянных внешних условиях, в 1955 г. в моей лабора-
тории была создана установка с инфракрасным газовым анализатором
[2, 21]. Было показано, что выделение двуокиси углерода колеоптилями
овса, содержавшимися в струе обычного воздуха, подчиняется 24-часовому
ритму, если растения после облучения красным светом перенести в темноту
Влияние света на ритмы растений
197
[22]. Фазы и периоды этого ритма и описанного ранее ритма скорости роста
совпадают [23]. Расширение исследований такого типа с использованием
струи воздуха, предварительно очищенного от углекислого газа, позволило
обнаружить ритмы выделения двуокиси углерода в отдельных листьях
нескольких видов суккулентных растений; особенно ясные результаты были
получены на Bryophyllum fedtschenkoi [2, 21]. В этой статье при обсужде-
нии влияния света на ритмы растений я буду часто ссылаться на результаты
исследования ритма выделения СО2 отдельными листьями В. fedtschenkoi,
Время суток
Фиг. 1. Скорость выделения СО2 листьями Bryophyllum fedtschen-
koi при 26° в условиях непрерывной темноты, начинающейся
в 4 часа дня. Воздух предварительно очищен от двуокиси углерода.
1 — листья отделены от растений, которые перед началом опыта находились
в условиях короткого дня; II — то же, после пребывания растений в усло-
виях длинного дня.
полученные в моей лаборатории, но для сравнения постараюсь привести
по возможности полные данные и для других растений, взятые из других
работ.
Предварительная подготовка к эксперименту заключалась в следующем:
листья в 3 часа дня отделяли от растений, выросших в условиях короткого
дня (освещение от 8 час. утра до 4 час. дня), взвешивали и затем помещали
в стеклянную трубку, через которую с постоянной скоростью пропускали
воздух, очищенный от двуокиси углерода. Трубку погружали в водяную
баню с температурой 26° (при которой проводили все описанные в данной
статье эксперименты) и освещали вольфрамовой лампой (3000 лк). В 4 часа
дня свет выключали. В темноте скорость выделения СО2 подчинялась 22,4-ча-
совому ритму, первый максимум которого появлялся в 11 час. утра на сле-
дующий день, т. е. спустя 19 час после выключения света (кривая I на фиг. 1).
О том, что ритм выделения двуокиси углерода определяется не просто
ритмическими изменениями величины устьичных щелей, свидетель-
ствует тот факт, что небольшие куски мезофилла, выделенные из листьев,
лишенных эпидермиса, проявляли ритм, период и фаза которого сходны по
величине с периодом и фазой ритма целых листьев (см. кривую III на
фиг. 4).
198
М. Уилкинс
РЕГУЛЯЦИЯ РИТМОВ ЦИКЛАМИ СВЕТ — ТЕМНОТА
ЧЕРЕДОВАНИЕ СВЕТА И ТЕМНОТЫ С ПЕРИОДОМ, ОТЛИЧНЫМ ОТ 24 час
При изучении регуляции ритмов растений циклами свет — темнота
с периодом, отличным от 24 час, основной интерес представляют два вопроса:
1) возможность и степень затягивания ритма при воздействии на организм
периодически чередующихся света и темноты; и 2) сохранение измененного
периода при последующем перенесении растения в постоянные условия.
Наблюдения показали, что у разных организмов ритмы неодинаково
затягиваются нециркадными циклами света и темноты. Ритмы движения
листьев Canavalia ensiformis [24] и Phaseolus multiflorus [25] следуют за
8 : 8- и 9 :9-часовыми циклами и не затягиваются 6 : 6-часовым циклом.
Ритм движений лепестков Kalanchoe blossfeldiana подчиняется циклам
с отношением светового и темнового периода от 24 : 24 до 6 : 6, но сохраняет
24-часовой период при воздействии 4:4- и 2 : 2-часового циклов [26].
Подобным же образом ритм выбрасывания спор Daldinia concentrica [6]
затягивается 6 : 6-часовыми циклами, а ритм люминесценции Gonyaulax
polyedra [14] — циклами 6 : 6, 7 :7, 8 : 8 и 16:16 час. Ритм спорообразова-
ния Oedogonium cardiacum [7] следует за 9 : 9-часовым циклом и не затяги-
вается циклами 6:6, 15 : 15 и 24 : 24 час.
При дальнейшем перенесении этих растений в постоянные условия
циркадная периодичность немедленно восстанавливается. Однако есть дан-
ные, что у двух организмов (Pilobolus и Hydrodictyon reticulatum) некоторое
время в темноте сохраняется ритм с периодом, равным периоду ранее воз-
действовавших на организм циклов свет — темнота. Ритм выбрасывания
спор у Pilobolus при затягивании его циклами от 18 : 18 до 10 : 10 час
в условиях постоянной темноты немедленно возвращается к 24-часовой
периодичности. Однако ритм культур, подвергнутый затягиванию 8:8-,
6 : 6- и 4 : 4-часовыми циклами, сохранял в темноте период воздействовав-
шего на него цикла в течение 28 час после начала последнего светового
периода [5]. Как теперь известно, образование спорангиеносцев у Pilobolus
вызывается переходом от темноты к свету, и необходимо 28 час, чтобы спо-
рангиеносец созрел. Поэтому вполне возможно, что это кажущееся сохране-
ние наведенного ритма в течение 24 час объясняется созреванием спорангие-
носцев, индуцированным за 28 час до этого во время чередования периодов
света и темноты, а не ускорением хода эндогенных часов. Более того,
в последнем случае можно было бы ожидать, что ход часов должен замед-
ляться постепенно, а не внезапно, как это наблюдается спустя 24 час после
перехода к постоянному затемнению растений.
Относительно Hydrodictyon reticulatum известно, что ритмы роста
и кислородного обмена у этой водоросли затягиваются 12 : 12-, 6:6-
и 10,5 : 7-часовыми циклами свет — темнота и что эти ритмы сохраняются
в течение 3 дней в темноте с периодами 24, 12 и 17,5 час соответственно
[12, 13]. Это единственное опубликованное сообщение об изменении периода
эндогенных часов. В других организмах период, измененный в той или иной
степени (зависящей от свойств самого организма) в результате затягивания,
сразу же после помещения организма в постоянные условия возвращается
к исходному значению (24 час).
Как уже указывалось ранее [37], вопросу о роли энергии, сообщаемой
часовому механизму вовремя затягивающих циклов, до сих пор не уделялось
достаточного внимания. Часто вообще пренебрегают возможностью того,
что свет может непосредственно влиять на физиологические процессы,
Фиг. 2. Отчетливое затягивание ритма у листьев Bryophyllum
в условиях чередования света (1000 лк) и темноты с длинами фаз
8 : 8 (Л и Б), 6 : 6 (В) и 3 : 3 (Г).
При переходе к непрерывной темноте немедленно восстанавливается прибли-
зительно 23-часовой период. Режим освещения показан полосами над каждым
графиком. Подробности см. в тексте.
Фиг. 3. Отчетливое затягивание ритма у листьев Bryophyllum
в условиях чередования 6 час света (500 лк) и 6 час темноты (Л)
и отсутствие затягивания при чередовании 3 час света (той же интен-
сивности) и 3 час темноты (Б).
При чередовании 6 час света (100 лк) и 6 час темноты (В) затягивание также
отсутствует. Подробности см. в тексте.
200
М. Уилкинс
управляющие поведением эндогенных часов. Вместе с тем четко показано,
что освещение влияет на развитие спорангиеносцев в Pilobolus-, конечно,
особенно чувствителен к свету метаболизм двуокиси углерода в раститель-
ных тканях.
До сих пор влияние сообщаемой энергии (интенсивности света) на затя-
гивание ритма в условиях чередования света и темноты с нециркадным
периодом учитывалось только в исследованиях ритма Gonyaulax [37]. При
интенсивности света во время световой фазы 8640 лк ритм затягивается как
8 : 8-часовым, так и 6 : 6-часовым циклом; если интенсивность света равна
только 2160 лк, затягивание 6 : 6-часовым циклом менее ярко выражено
как для главных максимумов, повторяющихся каждые 24 час, так и для
побочных, находящихся между ними. Люминесценция возрастает во время
темновой фазы и падает в течение световой фазы цикла. Авторы, по всей
вероятности, правы, полагая, что при интенсивности 2160 лк сообщенная
энергия слишком низка, чтобы вызвать затягивание ритма; но следует учи-
тывать, что подобные результаты можно было бы ожидать, если бы облуче-
ние светом с интенсивностью 8640 лк подавляло люминесценцию и если бы она
возбуждалась вновь в момент перехода от света к темноте. Оба эти эффекта
должны быть менее ярко выражены при 2160 лк.
Непосредственное действие света на интенсивность обмена СО2 в листьях
Bryophyllum хорошо известно. Это усложнило интерпретацию серии экспе-
риментов, проводящихся сейчас в нашей лаборатории. Отдельные листья
в первоначально освобожденном от СО2 потоке воздуха при 26° находились
в условиях чередования темноты и света разной интенсивности. В условиях
чередования темноты и света интенсивностью 1000 лк с длинами фаз 8:8,
6 : 6 и 3 : 3 час затягивание ритма выражено совершенно отчетливо (фиг. 2).
В каждом случае скорость выделения двуокиси углерода увеличивалась
во время световой фазы цикла и уменьшалась во время темновой фазы.
В дальнейших экспериментах, где использовалась значительно меньшая
интенсивность освещения, было показано, что при интенсивности 500 лк
ритм затягивается в условиях чередования 6 час темноты и 6 час света
(фиг. 3, А) и не затягивается при длине фаз, равной 3 час (фиг. 3, 5). В усло-
виях чередования 6 час темноты и 6 час света с интенсивностью 100 лк
(фиг. 3, В) затягивания не происходило. Эти серии экспериментов еще про-
должаются, и поэтому было бы неблагоразумно на основе описанных резуль-
татов делать далеко идущие выводы относительно условий затягивания
ритма. Возможно, что очевидное влияние света интенсивностью 1000 лк
объясняется прямым действием сообщаемой энергии на интенсивность
обмена двуокиси углерода в растительных тканях; это влияние должно
падать по мере уменьшения интенсивности света. Вместе с тем есть и другая
возможность: затягивание клеточных часов происходит лишь при доста-
точно большой величине сообщенной энергии. Были сделаны попытки найти
такую интенсивность света, которая влияла бы на часы и не оказывала
заметного воздействия на скорость тканевого обмена двуокиси углерода.
Полный анализ и описание этих экспериментов будут опубликованы в даль-
нейшем.
Твердо установлено лишь одно: когда листья помещают в условия
постоянной темноты после чередования темноты и света интенсивностью
1000 лк, в ритме не наблюдается тенденции к сохранению периодов, равных
периодам ранее воздействовавших циклов (см. фиг. 2). Однако более тща-
тельное изучение характера ритмов после окончания воздействия чередова-
ния света и темноты показывает, что период не сразу достигает своего обыч-
ного значения22,5аде.Интервалы между первым и вторым, вторыми третьим,
Влияние света на ритмы растений
201
третьим и четвертым пиками равны соответственно 26, 24 и 23 час. Таким
образом, в ходе часов наблюдается некоторое переходное состояние: в тече-
ние первых 48 час после переноса листьев в постоянные условия они идут
замедленно, а затем скорость хода возвращается к своему обычному зна-
чению.
24-ЧАСОВЫЕ ЦИКЛЫ ЧЕРЕДОВАНИЯ СВЕТА И ТЕМНОТЫ
С РАЗЛИЧНЫМИ СООТНОШЕНИЯМИ СВЕТОВОЙ И ТЕМНОВОЙ ФАЗЫ
На фиг. 1 были показаны ритмы выделения двуокиси углерода листьями
Bryophyllum, отделенными от растений, росших в различных условиях:
1) росших в условиях короткого дня (свет с 8 час. утра до 4 час. дня);
2) росших в условиях длинного дня (свет с 4 час. утра до 8 час. вечера),
но помещенных в темноту в 4 часа дня в день эксперимента; как показывают
кривые, фазы и периоды этих двух ритмов близки по величине. Продолжи-
тельность дня, в условиях которого развиваются растения, не изменяет
период наблюдающихся затем в темноте ритмов. Позднее будет показано,
что время появления максимумов ритма определяется временем наступления
темновой фазы. Поэтому, если листья растений, росших в условиях длинного
дня, поместить в темноту в конце нормального светового периода, то это
приведет лишь к тому, что максимумы ритмов появятся позже, чем для
листьев растений, росших в условиях короткого дня и помещенных в тем-
ноту в 4 часа дня. Подобные результаты получены при изучении ритмов
движения листьев Phaseolus [27]. В этом случае продолжительность световой
фазы 24-часовых циклов влияет только на время достижения листьями край-
них положений — самого высокого и самого низкого. Было найдено, что
самое низкое положение достигается через 17—18 час после начала осве-
щения.
ВЛИЯНИЕ НЕПРЕРЫВНОГО ОСВЕЩЕНИЯ
ПЕРЕХОДЫ ОТ СВЕТА К ТЕМНОТЕ И ОБРАТНО
Для того чтобы выяснить, как действует непрерывное освещение белым
светом на ритм выделения двуокиси углерода в тканях листьев Bryophyllum,
небольшие кусочки мезофилла листьев освещали светом интенсивностью
3000 лк в течение различных промежутков времени сразу после окончания
нормального светового периода (8 час), во время которого растения находи-
лись в оранжерее. Ритм полностью затухал при непрерывном освещении
ткани в течение 11 и 33 час (кривая I на фиг. 4) и восстанавливался при
помещении в темноту. Первые максимумы появлялись спустя 16,5 и
14,5 час соответственно после окончания экспериментов с непрерывным
освещением. Эти ритмы были не в фазе с контрольным ритмом кусочков
мезофилла, помещенных в условия постоянной темноты после начала экспе-
римента (кривая III на фиг. 4). Подобным же образом ритм затухал при
22- и 44-часовом освещении (кривая // на фиг. 4) и восстанавливался при
наступлении темноты. Но в этих случаях первые максимумы появлялись
спустя 15,5 и 14 час соответственно после помещения в темноту и совпадали
по фазе с контрольным ритмом. Ясно, что переход от света к темноте снова
возбуждает ритм и определяет его фазу, сдвиг которой, таким образом,
можно изменять в широких пределах. Дальнейшие эксперименты показали,
что с увеличением продолжительности непрерывного освещения от 0 до
202
М. Уилкинс
44 час промежуток времени между началом темновой фазы и первым мак-
симумом ритма уменьшается от 18 до 14 час (фиг. 5).
У некоторых растений, например Hydrodictyon [12, 13] и Phaseolus [28],
ритм сохраняется как на свету, так и в темноте. У Daldinia [6] ритм суще-
ствует в течение 14 дней в темноте и только 3 или 4 дня — при непрерыв-
ном освещении, а у Pilobolus [4, 5] ритм спорообразования существует
<3
Ф и г. 4. Влияние непрерывного
освещения (3000 лк) на ритм, наблю-
даемый в кусочках мезофилла пло-
щадью 1 см2, полученных из листьев
Bryophyllum.
I — 33-часовое освещение с 4 час. дня до
1 часа ночи; II — 44-часовое освещение
с 4 час. дня до полудня; III — контроль,
дополнительное световое воздействие от-
сутствовало, темнота начиналась в 4 часа
Дня.
Продолжительность дополни-
тельного освещения} час
Ф и г. 5. Уменьшение промежут-
ка времени (отложен по оси орди-
нат) между началом темноты и
первым максимумом ритма по ме-
ре увеличения продолжительности
дополнительного светового воз-
действия.
только в темноте. Ритм у Gonyaulax затухает при непрерывном ярком осве-
щении и при постоянном затемнении, но существует по крайней мере
в течение 14 дней в условиях непрерывного слабого освещения [14]. Ритм
у Oedogonium существует только при непрерывном освещении и не суще-
ствует в темноте [7]. По-видимому, в этих двух организмах исчезновение
ритма в темноте связано с быстрым уменьшением запасов питательных
веществ.
Показано, что свет угнетает ритм движения лепестков у Kalanchoe
blossfeldiana [26], но этот эффект может быть снят после помещения
растений на несколько часов в условия темноты.
По крайней мере для Gonyaulax возможность подавления ритма зависит
от интенсивности света. В случае Bryophyllum обнаружено, что хотя свет
интенсивностью 3000 лк угнетает ритм выделения двуокиси углерода, конеч-
ное действие света зависит еще и от того, в каких условиях находились
растения перед экспериментом — в темноте или на ярком свету. Результаты
этих экспериментов обсуждаются в следующем разделе.
Так же как у Avena [23], Kalanchoe [29] и Pilobolus [4, 5], фаза ритма
у Bryophyllum определяется моментом времени, соответствующим началу
темновой фазы. У Phaseolus [27] и Oedogonium [7] фаза ритма зависит,
наоборот, от момента времени, соответствующего началу световой фазы.
Влияние света на ритмы растений 203
В ткани листьев Bryophyllum, перенесенных в темноту после 44-часового
освещения, немедленно возобновлялся 22,4-часовой ритм. Но следует учесть,
что в период роста в теплице листья испытывали действие 24-часового
цикла смены света и темноты. У некоторых организмов индукция циркад-
ных ритмов в тканях под влиянием одиночного стимула, например перехода
от света к темноте или наоборот, не требует предварительного воздействия
циклов света и темноты. Если проростки овса [23], выросшие при постоянном
освещении красным светом, поместить в темноту, то возникает ритм скорости
роста колеоптилей. В аритмической культуре Gonyaulax [14], находившейся
на ярком свету в течение года, при переносе ее в темноту или в условия
слабого освещения также возникает ритм. Все эти примеры наводят на мысль,
что свет угнетает клеточные осцилляторы, а в темноте их колебания возоб-
новляются.
Постепенное уменьшение промежутка времени между концом светового
воздействия и появлением первого максимума ритма в темноте, замеченное
на Bryophyllum, наблюдалось также на ритме выделения двуокиси углерода
листьями Phaseolus [30] в темноте и в меньшей степени на ритме скорости
роста колеоптилей Avena [23].
Зависимость действия света на ритмы растений от длины волны мы обсу-
дим ниже (стр. 209).
ИЗМЕНЕНИЯ ИНТЕНСИВНОСТИ СВЕТА
Быстрые изменения
Из изложенных выше данных следовало, что свет сильно угнетает ритм
в листьях Bryophyllum-, но впоследствии было показано, что угнетение
ритма под действием света данной интенсивности зависит от условий,
в которых находились растения перед экспериментом: на ярком свету или
в темноте. Из фиг. 6, А видно, что ритм в листьях, находившихся 52 час
в темноте, подавляется светом интенсивностью 500 лк и восстанавливается
при помещении растений в темноту. На фиг. 6, Б изображены результаты
следующего опыта: растения находились на свету (интенсивность 2500 лк)
в течение 25 час, начиная с 4 час. дня. В течение этого времени скорость
выделения СО2 принимала небольшие, приблизительно постоянные значе-
ния и ритм отсутствовал. Затем в 5 час. дня интенсивность света внезапно
уменьшали до 500 лк, и, хотя скорость выделения двуокиси углерода не уве-
личивалась сразу же после уменьшения интенсивности света, ритм возобно-
влялся; первый максимум появлялся в 7 час. 30 мин. утра, через 14,5 час
после уменьшения интенсивности света. Ритм существовал в течение 51 час,
и период его был равен 22,5 час; после этого интенсивность света снова умень-
шали до 25 лк. В результате второго уменьшения интенсивности света воз-
никал сдвиг фазы, не совпадающий со сдвигом, который можно было бы
ожидать при помещении растений в темноту [31]. Два последующих экспе-
римента подтвердили эти результаты. Уменьшение интенсивности света
от 2000 до 25 лк индуцировало в листьях 22,4-часовой ритм, а последующий
перенос в темноту сдвигал фазу (фиг. 6, В). Однако обычный ритм, свойст-
венный листьям в темноте, подавлялся при облучении светом интенсив-
ностью 25 лк. Затем при восстановлении темноты ритм возобновлялся
(фиг. 6, Г).
Таким образом, влияние света данной интенсивности на ритм зависит
от интенсивности света в период, непосредственно предшествовавший опыту.
Свет интенсивностью 500 и 25 лк угнетает ритм, если перед освещением расте-
ния находились в темноте. Но в случае предварительного облучения расте-
204
М. Уилкинс
ний светом высокой интенсивности — 2500 и 2000 лк — при переходе
к интенсивности 500 и 25 лк соответственно возникает ритм, период и фаза
которого приблизительно равны периоду и фазе ритма в темноте. При тем-
пературе 26° в интервале от 0—500 лк период ритма не зависит от интенсив-
Время суток
Фиг. 6. Изменения ритма у листьев Bryophyllum под влиянием быстрых изменений
интенсивности освещения (А — Г) и постепенного уменьшения интенсивности от неко-
торого начального значения до нуля (Д — ДС).
Скорость уменьшения интенсивности показана на вставках. Объяснение см. в тексте.
ности света, воздействующего на листья, и ритм существует так же долго,,
как и в темноте. Фаза его совершенно не зависит от времени дня (ср. графики
на фиг. 6, Б и В с пунктирной кривой на фиг. 11, А).
Постепенные изменения
В естественных условиях интенсивность света изменяется всегда посте-
пенно. Поэтому мы поставили эксперименты, в которых растения подвер-
гали действию света, первоначальная интенсивность которого постепенно
уменьшалась в течение 6 час до нуля. Эти эксперименты позволили опреде-
лить степень уменьшения интенсивности света, необходимую для возникно-
вения ритма.
Листья освещали светом интенсивностью,3000 лк с 4 час. дня до 9 час.
утра. С 9 час. утра до 3 час. дня интенсивность света постепенно уменьшали
до нуля, т. е. до полной темноты, и все остальное время эксперимента
Влияние света на ритмы растений
205
растения находились в темноте (фиг. 6, Д). Хотя немедленного изменения
•скорости выделения двуокиси углерода отмечено не было, возникал ритм,
первый максимум которого появлялся в 3 час. 30 мин. утра. Чтобы найти
момент возникновения ритма и соответствующую ему интенсивность света,
необходимо рассмотреть промежуток времени, в течение которого листья
были освещены. Закономерность, описанная выше (см. фиг. 5), предсказы-
вает, что после непрерывного 20-часового освещения первый максимум
Фиг. 7. Приблизительно линейная зависимость между началь-
ной интенсивностью освещения, действовавшего на листья, и ин-
тенсивностью, при которой начинается ритм.
должен появиться через 15,7 час после внезапного выключения света, кото-
рое индуцирует ритм. За 15,7 час до появления первого максимума интен-
сивность света равнялась примерно 600 лк (фиг. 6, Д). В эксперимен-
тах с различными начальными интенсивностями света — 2000, 1000, 500
(фиг. 6, Е) и 100 лк,— постепенно уменьшающимися в течение 6 час вплоть
до наступления полной темноты (опыты производили в одно и то же время
дня), показано, что за 15,7 час до появления первого максимума интенсив-
ность света достигает значений 400, 200, 100 и 20 лк соответственно. В другом
эксперименте (фиг. 6, Ж) начальную интенсивность света, равную 1000 лк,
уменьшали до 0 в течение 6 час, с 9 час. вечера до 3 час. утра. В результате
возникал ритм, первый максимум которого появлялся в 5 час. вечера.
Если бы растения подвергались непрерывному освещению в течение 8 час,
то нужно было бы ожидать, что первый максимум появится спустя 17 час
после начала ритма. Тогда интенсивность света в момент возникновения
ритма равнялась бы 200 лк (фиг. 6, Ж)- Таким образом, фаза ритма, инду-
цированного таким способом, совершенно не зависит от времени дня.
Эти эксперименты показали, что существует линейная зависимость
между начальной интенсивностью освещения листьев и интенсивностью,
при которой возникает ритм (фиг. 7). Для возбуждения ритма существенно
уменьшение начальной интенсивности света по крайней мере на 80%,
а не достижение некоторого порогового значения интенсивности. Ритм
люминесценции Gonyaulax можно индуцировать, перенося культуру из усло-
вий яркого освещения (8600—16 200 лк) в условия полной темноты или
меньшей освещенности (1080 лк) [14]. Интересно, что ритм гуттации у про-
ростков Avena возникает при увеличении интенсивности света [32].
206
М. Уилкинс
ВЛИЯНИЕ КРАТКОВРЕМЕННОГО ОСВЕЩЕНИЯ РАСТЕНИЙ,
НАХОДЯЩИХСЯ В ТЕМНОТЕ, НА ФАЗУ РИТМА
СТАДИЯ РИТМА, НА КОТОРОЙ ОСУЩЕСТВЛЯЕТСЯ ВОЗДЕЙСТВИЕ
Четко показано, что у листьев Bryophyllum фаза существующего в тем-
ноте ритма выделения СО2 сдвигается, если в течение 3 час, с 11 час. вечера
до 2 час. ночи, облучать их светом интенсивностью 3000 лк, либо во время
24 12 24 12 24 12 24 12
Время суток
Ф и г. 8. А —Г — влияние короткого светового воздействия на фазу ритма, существу-
ющего у листьев Bryophyllum в темноте; Д и Е — влияние интенсивности 6-часового
освещения, примененного в интервале между максимумами.
Результаты контрольного эксперимента (растения все время в темноте) изображены пунктиром.
Режим освещения показан полосами над каждым графиком. Объяснение см. в тексте.
интервала между первым и вторым максимумами (фиг. 9, Б), либо перед
первым максимумом (фиг. 8, А). Спустя 18—20 час после окончания свето-
вого воздействия появляется первый максимум. Вместе с тем облучение
листьев в течение 5 или 3 час (фиг. 8. Б и В) светом той же интенсивности,
Влияние света на ритмы растений
207
но в момент достижения первого максимума, не влияет на фазу ритма. Фаза
ритма не изменяется также при облучении листьев в течение 3 'нас, от 3 до
6 час. утра, в момент достижения второго максимума ритма (фиг. 8, Г).
Если бы фаза ритма изменилась, первый максимум после облучения можно
было бы ожидать в 1 час. ночи, но в действительности он появляется в 6 час.
утра, т. е. примерно в одно и то же время с контролем.
24 12 24 12 24 12 24
Время суток
Фиг. 9. Влияние короткого светового воздействия на фазу
ритма, существующего у листьев Bryophyllum в темноте.
Пунктирная линия — контрольный ритм в непрерывной темноте. Объяснение
см. в тексте.
Эти результаты ясно показывают, что 3-часовое световое воздействие
(3000 лк) влияет или не влияет на фазу ритма в зависимости от того, на какой
стадии ритма проводится облучение. Аналогичные колебания чувствитель-
ности фазы ритма к световому воздействию наблюдались и для ритма
люминесценции Gonyaulax [14]. Величины сдвигов фаз ритмов Euglena
и Drosophila, вызванных световым воздействием в течение 8 час, 4 час
и сек, зависят от стадии ритма, на которой осуществляется облуче-
ние [33].
Фазы ритмов Bryophyllum, Gonyaulax, Euglena и Drosophila сдвигаются
вследствие светового воздействия в течение нескольких часов только в том
случае, если облучение осуществляется на той стадии ритма, которая
в обычных условиях соответствует ночи; фазы не изменяются, если облучение
производится на стадии ритма, обычно протекающей днем. На ритме роста
Avena [23] показано, что 7-часовое облучение в интервале между двумя
максимумами и сразу же после максимума сдвигает фазу так, что первый
после облучения максимум появляется спустя 16—18 час после окончания
светового воздействия. В первом случае сдвиг фазы равен примерно 7 час,
во втором — всего лишь 1,5 час. Эти результаты вместе с данными о том, что
спустя 16—18 час после окончания 12-часового облучения красным светом
208
М. Уилкинс
появляется первый максимум, свидетельствуют в пользу того, что световое
облучение во время пика максимума и прекращенное за 16—18 час до сле-
дующего максимума ритма не вызывает сдвига фазы.
Были проведены дальнейшие эксперименты, чтобы определить, в какой
степени сдвиг фазы, вызываемый освещением листьев Bryophyllum в течение
нескольких часов в интервале между двумя максимумами ритма, зависит
от продолжительности, интенсивности и длины волны облучения.
ПРОДОЛЖИТЕЛЬНОСТЬ ВОЗДЕЙСТВИЯ
Листья освещали в течение 6 час (с 8 час. вечера до 2 час. ночи, фиг. 9, А)
или 3 час (с 11 час. вечера до 2 час. ночи, фиг. 9, Б) светом интенсивности
3000 лк в интервале между максимумами ритма. В этом случае фаза изменя-
лась таким образом, что первый после облучения максимум появлялся
через 18—20 час после конца светового воздействия, т. е. величина сдвига
фазы определялась не продолжительностью освещения, а моментом его
прекращения. Если же листья освещать светом той же самой интенсивности
в течение 1 час (фиг. 9, В и Г) или светом интенсивности 20 000 лк [31],
то фаза меняется очень мало или вообще не меняется, хотя в некоторых
случаях, когда световое воздействие попадает на строго определенную стадию
ритма, наблюдается сокращение периода ритма. Возможно, что в результате
одночасового освещения индуцируется некоторое промежуточное состояние,
из которого в конце концов система переходит в состояние с устойчивой
фазой, отличающейся от фазы контрольного ритма.
Для того чтобы получить максимальный сдвиг фазы ритма с помощью
светового воздействия, оканчивающегося в определенный момент в интервале
между максимумами, т. е. изменить фазу так, чтобы первый после воздей-
ствия максимум появлялся через 18—20 час после восстановления темноты,
необходимо, чтобы длительность воздействия превышала некоторое крити-
ческое значение, лежащее где-то между 1 и 3 час. Интересно сравнить эти
данные с результатами, полученными при изучении ритма движения листьев
Canavalia. Сообщалось, что освещение в течение 1 мин в момент, когда
листья Canavalia находятся в состоянии «сна», сдвигает фазу на 12 час
при условии, что интенсивность облучения достаточно высока [24]. Фаза
ритмов Euglena и Drosophila сдвигалась в результате освещения организмов
вспышкой света длительностью ^qq се& 133]. В то же время на фазу ритма
роста Avena не влияло и пятиминутное освещение; правда, облучение про-
изводилось в момент достижения максимума, где, по-видимому, фаза ритма
не чувствительна к свету [23]. У Gonyaulax, находившихся 6 час в темноте
и после этого подвергавшихся световому воздействию, величина сдвига
фазы была пропорциональна продолжительности светового воздействия.
Максимальное значение сдвига фазы, равное 11,5 час, достигалось после
освещения в течение 2,5 час [14].
ИНТЕНСИВНОСТЬ ОСВЕЩЕНИЯ ВО ВРЕМЯ СВЕТОВОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ
Ранее (фиг. 9, А) было рассмотрено действие 6-часового облучения
листьев с 8 час. вечера до 2 час. ночи светом интенсивностью 3000 лк в интер-
вале между максимумами ритма, существующего в темноте. Фаза сдвига-
лась, и первый после освещения максимум появлялся через 18 час после
прекращения светового воздействия. Шестичасовое освещение с интенсив-
ностями 500, 25 (см. фиг. 8, Д) и 8 лк, начинавшееся примерно в одно и то же
Влияние света на ритмы растений
209
время дня, также изменяло фазу; первые максимумы после облучения
появлялись через 19, 17 и 17,5 час соответственно после окончания светового
воздействия. Если, однако, интенсивность освещения равнялась 2 лк
{см. фиг. 8, Е), первый максимум после воздействия появлялся только через
13,5 час после восстановления темноты. Задержка фазы в действительности
равнялась 6 час. Более того, фаза сдвигалась на 12 час, когда листья осве-
щали в течение 12 час светом интенсивностью 2 лк.
Таким образом, ясно, что в диапазоне 8—3000 лк интенсивность осве-
щения в течение 6-часового светового воздействия не влияет на величину
сдвига фазы в результате облучения. Сдвиг фазы определяется не продолжи-
тельностью (см. предыдущий раздел) или интенсивностью 6-часового свето-
вого воздействия, а временем прекращения воздействия. Однако при осве-
щении светом интенсивностью 2 лк сдвиг фазы равен длительности светового
воздействия. Влияние интенсивности было подробно изучено на ритме
Gonyaulax [14]. Величина сдвига фазы, вызванного световым воздействием
длительностью 2,5 час, начинающимся через 6 час после выключения света,
растет с увеличением интенсивности света и достигает максимума при
8640 лк. Ясно, что для Bryophyllum подобная точка насыщения лежит где-то
между 2 и 8 лк, хотя ее точное значение определено не было. Полученные
значения интенсивности света характеризуют свет, падающий на поверх-
ность листьев, толщина которых колеблется от 3 до 7 мм; интенсивность
света, проникающего внутрь листа, значительно меньше.
ДЛИНА ВОЛНЫ ИСПОЛЬЗУЕМОГО СВЕТА
На фиг. 10, А и Б показан результат 6-часового облучения листьев
Bryophyllum светом разных длин волн в интервале между двумя макси-
мумами ритма (с 8 час. вечера до 2 час. ночи).
Из спектра с помощью специальных фильтров были выделены красная,
зеленая и синяя области. В этих экспериментах были использованы два
слоя фильтров; пропускание синего фильтра в красной области равнялось
0,01%, а красного фильтра в голубой области — 1% [31].
Шестичасовое освещение красным светом интенсивностью 850 эрг/см2/сек
вызывало четкий сдвиг фазы, близкий к тому, который возникает в резуль-
тате освещения белым светом при интенсивности 3000 лк; первый максимум
появился через 17—18 час после окончания светового воздействия. Вместе
с тем шестичасовое освещение синим светом интенсивностью 10 860 эрг/см2/сек
не изменило фазу. Первый максимум ритма (см. фиг. 10, Б) появился
в 12 час. 30 мин., т. е. на 1,5 час позднее, чем в контроле, второй максимум
появился через 23 час после первого, а третий — спустя 24 час после вто-
рого. Далее, непрерывное освещение листьев красным светом интенсив-
ностью 16 430 эрг/см2/сек в течение 68 час полностью подавило ритм
(фиг. 10, В). Когда листья снова осветили синим светом интенсивностью
10 860 эрг/см2/сек, ритм восстановился; первый максимум появился через
14 час после смены освещения.
Эти результаты совершенно ясно указывают на следующую закономер-
ность: освещение листьев светом.с длиной волны больше 565 лщ в течение
6 час во время интервала между максимумами ритма, существующего
в темноте, вызывает сдвиг фазы ритма. При продолжительном воздействии
светом этих длин волн ритм полностью подавляется. Наоборот, коротковол-
новый свет (длины волн ниже 525 лец) не вызывает сдвига фазы и не угнетает
ритм; по-видимому, он действует подобно темноте. Слабое увеличение периода
ритма при освещении синим светом, наблюдавшееся в нескольких экспери-
210
М. Уилкинс
ментах, можно, вероятно, объяснить тем, что синий фильтр пропускал
0,01 % красного света. Освещение листьев в течение 6 час светом с длиной
волны 475—575 мр (зеленый) и интенсивностью 6880 эрг! см2/сек вызывало
сдвиг фазы, равный 4,5 час. Эта величина — промежуточная между вели-
чинами сдвига фазы при освещении красным и синим светом.
Время суток
Фиг 10. Кривые пропускания одного слоя красного (/) и голу-
бого (//) фильтров (вверху) и влияние света разных длин волн на
ритм у листьев Bryophyllum.
Контрольный ритм в темноте показан пунктирной линией. Объяснение
см. в тексте.
В ряде опытов, проведенных на различных организмах, были сделаны
попытки определить длину волны света, эффективно влияющего на ход
биологических часов. У Gonyaulax спектр действия для сдвига фазы ритма
в результате единичного светового воздействия имеет резкие максимумы
при длинах волн 475 лщ и 650 мр [14, 38]. Фаза ритма скорости роста колеоп-
тилей Avena сдвигается в результате однократного облучения красным
светом, однако действие других длин волн определено не было.
Недавно было показано, что кратковременное воздействие ультрафио-
летом вызывает сдвиг фазы в ритме Paramecium и что этот сдвиг обратим
Влияние света на ритмы растений
211
(при последующем освещении клеток белым светом фаза восстанавли-
вается) [34].
Затягивание частоты ритма при чередовании облучения светом разных
длин волн, а также при чередовании темноты и света разных длин волн
было изучено на Phaseolus [25] и Oedogonium [11]. На растения Phaseolus,
у которой собственный период равен 28 час, воздействовали циклом 10 час
цветного освещения — 12 час темноты. Оказалось, что при таком режиме
освещения большая часть видимого спектра не вызывает затягивания ритма
движения листьев. Если, однако, чередуются периоды темноты и света,
длина волны которого лежит в области 700 лщ, затягивание происходит;
этот эффект пропадает, как только длина волны становится равной 775 мр
и более. Чередование темноты и ультрафиолетового облучения не изменяет
ритм, хотя при освещении синим светом небольшие искажения все же
наблюдаются.
Для Oedogonium получены более сложные результаты. Установлено,
что синий свет при чередовании с темнотой действует как световая фаза,
а при чередовании с более длинноволновым освещением — как темновая
фаза. Красный же свет действует как световая фаза при чередовании с тем-
нотой и со светом разных длин волн, в том числе и белым. Таким образом,
красный свет, по-видимому, во много раз более эффективен.
На Phaseolus [28], Neurospora [3, 35], Avena [23, 32] и Bryophyllum
[31] было показано, что непрерывное освещение растений светом с разными
длинами волн влияет на их ритмы. Если растения Phaseolus перенести
из вегетационного домика в условия непрерывного освещения, период ритма
движения листьев изменяется только под действием красного и далекого
красного света. Ритм роста Avena угнетается 12-часовым освещением про-
ростков красным светом [23], тогда как ритм гуттации проростков Avena,
наоборот, возникает только при перемещении растений из темноты в условия
освещения светом любой длины волны [32]. Если культуру Neurospora
crassa непрерывно освещать белым светом [35], то можно наблюдать кон-
центрический рост; при непрерывном освещении красным светом рост
не наблюдается [3]. Это, по-видимому, означает, что в данном организме
синяя область спектра угнетает биологические часы.
В общем можно считать установленным, что в высших растениях ритмы
под влиянием красного света изменяются — либо они затухают, либо
происходит сдвиг фазы, либо изменяется период в зависимости от того,
какой организм исследуется. В водорослях, по-видимому, и красный и синий
свет влияет на ритмы, тогда как в грибах на ритмы действует только синий
свет.
ВЛИЯНИЕ КРАТКОВРЕМЕННОГО ВЫКЛЮЧЕНИЯ СВЕТА
НА ФАЗУ РИТМА У ОСВЕЩЕННЫХ ЛИСТЬЕВ
Исходя из того что у освещенных листьев Bryophyllum можно возбудить
ритм, уменьшая интенсивность действующего света по крайней мере на
80%, мы провели эксперименты с целью выяснить, влияет ли на фазу такого
ритма выключение света на несколько часов на разных стадиях ритма.
В этой серии экспериментов ритм возбуждали резким уменьшением (с 3000
до 100 лк) интенсивности света, воздействовавшего на листья в течение
13 час (с 4 час. дня до 5 час. утра). Первый максимум появлялся в 9 чае.
вечера, т. е. через 16 час после уменьшения интенсивности света. Ритм суще-
ствовал в течение по крайней мере 104 час, причем наблюдалось 5 четко
14*
212
М. Уилкинс
Фиг. 11. Влияние кратковременного выключения света на фазу ритма освещенных
листьев Bryophyllum.
Режим освещения обозначен полосами над каждым графиком. Пунктирная линия показывает
контрольный ритм в листьях Bryophyllum, находившихся в течение всего эксперимента на свету
интенсивностью 100 лк. Подробности см. в тексте.
выраженных максимумов ритмической
таким образом и сохраняющийся при
в течение всего эксперимента, показан
активности. Ритм, возбужденный
интенсивности освещения 100 лк
на фиг. И, А и Д пунктиром.
ВЫКЛЮЧЕНИЕ СВЕТА В МОМЕНТ НАСТУПЛЕНИЯ МАКСИМУМА
В 8 час. вечера, т. е. в момент наступления первого максимума ритма,
существующего при интенсивности света 100 лк, листья помещали в темноту
на различные промежутки времени. При непрерывном и 9-часовом пребыва-
нии в темноте фаза ритма выделения СО2 сдвигалась так, что первый после
выключения света максимум появлялся в 11 час. 30 мин. утра, т. е. через
15,5 час (фиг. 11, А и Б). Шестичасовое и 3-часовое затемнение листьев
(фиг. 11, В и Г) также вызывало сдвиги фазы, но в этих случаях первый
после затемнения максимум появлялся через 13 и 10,5 час соответственно.
Ясно, что решающее значение для возбуждения реакций, приводящих
к изменению фазы ритма, имеет именно наступление темноты, так как мак-
Влияние света на ритмы растений
213
симальный сдвиг фазы вызывается затемнением в момент достижения мак-
симума. Окончание воздействия, т. е. переход от темноты к свету, не вызывает
сдвига фазы, однако в случае 6- и 3-часового воздействия, когда от времени
окончания зависит длительность воздействия, переход от темноты к свету
регулирует величину индуцируемого сдвига.
Подводя итоги, можно сказать, что выключение света в момент достиже-
ния максимума ритма, существующего на свету, сдвигает фазу независимо
от того, на какой срок выключается свет. Этот сдвиг тем больше, чем больше
длительность темновой фазы, и достигает максимума, когда она составляет
9 час.
ВЫКЛЮЧЕНИЕ СВЕТА В ИНТЕРВАЛЕ МЕЖДУ МАКСИМУМАМИ
На фиг. 11, Д показано, как меняется ритм, когда в 7 час. утра, между
первым и вторым максимумами ритма, существующего при интенсивности
света 100 лк, наступает полная темнота. Фаза сдвинута; первый после
Фиг. 12. Влияние короткого светового воздействия на фазу рит-
ма, существующего в темноте, и короткого темнового воздействия
на фазу ритма у освещенных листьев.
выключения света малсимум ритма появился в 9 час. вечера, через 14 час
после начала темновой фазы. Вместе с тем, как показывают фиг. 11, Е и Ж,
выключение света на 6 час (от 6 час. утра до полудня) или на 3 час (от 7 до
10 час. утра) не влияет на фазу; в этих экспериментах первый после воздей-
ствия максимум появился в 6 час. вечера, т. е. через 22—23 час после преды-
дущего максимума в полном согласии с контрольным ритмом. Так как
интервал времени между первым ожидаемым после воздействия максимумом
при наибольшем сдвиге фазы (переход к непрерывной темноте) и при сохра-
214
Л4. У и л к и н с
нении фазы контрольного ритма очень мал (3 час), было проведено еще два
эксперимента, условия которых были таковы, что этот интервал увеличи-
вался. Если в 9 час. утра растения переводили в условия непрерывной
темноты, фаза сдвигалась; первый после выключения света максимум
появлялся в 11 час. 30 мин. вечера (фиг. 11, 3). Если, однако, свет выклю-
чали на 3 час, с 9 час. утра до полудня (фиг. 11, И), первый максимум после
начала темновой фазы появлялся в 7 час. вечера, через 22,5 час после пре-
дыдущего максимума. Выключение света на 3 или 6 час в интервале между
максимумами не влияет на фазу ритма.
Итак, мы установили следующую закономерность: у листьев Bryophyl-
lum, освещенных светом интенсивностью 100 лк, фаза ритма изменяется
в результате выключения света на 3 и 6 час в момент наступления максимума,
но остается прежней, если свет выключают в интервале между максимумами.
Изучение индукции фазовых сдвигов, полученных с помощью светового
или темнового воздействия на ритмы, существующие в темноте или на свету
соответственно, показало, что в обоих случаях сдвиг фазы определяется
стадией ритма, на которой было применено соответствующее воздействие.
Но в то время как в листьях, находящихся в темноте, фаза ритма изменяется
после светового воздействия, приложенного в интервале между максиму-
мами, и остается неизменной в случае воздействия светом в момент достиже-
ния максимума, в освещенных листьях фаза ритма изменяется только в том
случае, если свет выключается в момент наступления максимума. Таким
образом, под влиянием коротких световых и темновых воздействий фаза
ритма, существующего в темноте и на свету соответственно, изменяется
противоположным образом. Эта закономерность, которая, как полагают
авторы, существенна для понимания механизма действия света на основные
клеточные осцилляторы, показана схематически на фиг. 12.
Для Gonyaulax установлено, что фаза ритма изменяется после воздей-
ствия ярким светом в течение 6 час во время максимума люминесценции
и сохраняется, если облучение производится во время минимума люминес-
ценции [14]; но существует ли подобная реакция фазы на выключение
света, еще не ясно.
ОБСУЖДЕНИЕ И ЗАКЛЮЧИТЕЛЬНЫЕ ЗАМЕЧАНИЯ
В заключение мы обсудим вопрос о том, можно ли на основании резуль-
татов, описанных в этой статье, построить общую картину действия света
на эндогенные осцилляторы, или часы, в клетках растений. Для облегчения
анализа результатов рассмотрим модельную систему, осциллирующую
между некоторыми границами А и В. Необходимо подчеркнуть, что под
осциллятором подразумевается не какой-то определенный физический или
химический процесс, а просто неизвестный часовой механизм клетки.
Не предполагается также, что эти колебания представляют собой простые
переходы от А к Ви обратно; возможно, что между граничными состояниями
имеется ряд промежуточных стадий. Затухание ритмов растений в отсут-
ствие кислорода говорит о том, что функционирование клеточных осцилля-
торов зависит от энергии, получаемой в процессах метаболизма.
Действие света на эту модель будет рассмотрено со специальными
ссылками на результаты, полученные мною при исследовании ритма выделе-
ния двуокиси углерода листьями Bryophyllum. Во-первых, ритм угнетается
при длительном освещении и восстанавливается после выключения света,
причем первый максимум появлялся через определенное время после начала
Влияние света на ритмы растений
215
темновой фазы. Эти данные убедительно говорят в пользу того, что под дей-
ствием света свободно колеблющиеся осцилляторы движутся к одной
из двух границ, например к Л, и находятся у этой границы до тех пор, пока
не возобновляется затемнение, в условиях которого система начинает дви-
жение к В и колебания восстанавливаются. В этом случае первый максимум
ритма появится через определенное время после прекращения тормозящего
воздействия, т. е. фаза определяется моментом выключения света. Чтобы
объяснить постепенное уменьшение интервала между концом светового
воздействия и первым максимумом ритма по мере возрастания длительности
облучения, необходимо усложнить основную гипотезу. Поэтому постули-
руется, что во время длительного освещения система в действительности
не остается на границе А, а постепенно сдвигается к В, так что после выклю-
чения света система находится ближе к В, чем в случае короткого светового
воздействия. Однако величина этого «обратного хода» должна быть строго
ограниченной, так как первый максимум никогда не появляется раньше,
чем через 14 час после окончания светового воздействия.
Далее, если свет действительно подавляет свободные колебания системы
осцилляторов, закрепляя ее на границе Л, то следует ожидать, что в системе,
свободно осциллирующей в темноте, чувствительность фазы ритма к корот-
ким световым воздействиям будет меняться с длительностью воздействия.
Например, мы должны ожидать, что при освещении в течение нескольких
часов фаза будет сдвигаться, когда система находится вблизи границы В,
и такого сдвига не будет, если система находится у границы А. Это в точ-
ности соответствует тому, что мы нашли в Bryophyllum. В пользу этой
гипотезы свидетельствуют аналогичные результаты, полученные на Gonyau-
lax [14], Euglena [33] и Avena [23]. Было показано, что во всех этих
организмах длительное яркое освещение угнетает ритмы.
В высших растениях, например Bryophyllum и Avena, на переход
системы от В к А влияет красный свет, тогда как в низших организмах
в поглощении энергии принимают участие, по-видимому, разные пигменты
и, следовательно, эффективны разные длины волн. По длительности воздей-
ствия, вызывающего максимальный сдвиг фазы, было найдено, что продол-
жительность освещения, необходимая для перехода системы Bryophyllum
от В к Л, равна 1—3 час. Для того чтобы вызвать максимальный сдвиг фазы
ритма Gonyaulax, требуется сильное световое воздействие приблизительно
в течение 2,5 час. В интервале 8—3000 лк система переходит от В к А
в результате 6-часового облучения при любой интенсивности света; при
меньших значениях интенсивности (2 лк) задержка фазы равна длительности
светового воздействия. Этот результат объясняется на основании осцилля-
торной модели следующим образом: при интенсивности 2 лк энергии не хва-
тает для перехода системы от В к Л, но ее достаточно, чтобы удержать
систему на том уровне, где она находилась до светового воздействия. Все
6-часовые воздействия с разной интенсивностью света начинались в момент,
когда система на пути от Л к В находилась вблизи В, т. е. в самом начале
интервала между максимумами выделения двуокиси углерода. В этом осно-
ванном на осцилляторной модели объяснении действия света на ритмы
предполагается, что энергия метаболизма используется во время перехода
от Л к В. При интенсивности 8—3000 лк, когда лучевой энергии достаточно
для осуществления перехода обратно к А, происходит сдвиг фазы, тогда
как при интенсивности 2 лк тенденция системы двигаться от Л к В только
уравновешивается энергетическим вкладом света.
Возникновение ритма у освещенных листьев Bryophyllum при умень-
шении света на 80% говорит о том, что осциллятор может функционировать
216
М. Уилкинс
и при низких интенсивностях света, если только он испытывает толчок,
т. е. подвергается воздействию какого-то стимула. Осциллятор Gonyaulax
также может функционировать при слабом освещении [14]. Периоды коле-
баний в темноте и при низкой освещенности приблизительно равны. Оди-
наковы ли другие точные характеристики колебаний в этих двух случаях,
еще предстоит выяснить. Как уже было установлено, свет угнетает колеба-
ния, существующие в темноте, перемещая систему к границе А. Развивая
эту гипотезу, предположим, что система, осциллирующая на свету в резуль-
тате уменьшения интенсивности освещения на 80%, при помещении в тем-
ноту стремится двигаться от Л к В. На основании вышесказанного легко
объяснить как зависимость сдвига фазы от продолжительности кратковре-
менного темнового воздействия, так и противоположный характер зависи-
мости сдвига фазы от продолжительности кратковременного светового воз-
действия. Фаза ритма изменяется при кратковременном выключении света
в момент достижения максимума выделения СО2, т. е. когда система нахо-
дится на границе А или вблизи нее, но остается неизменной, если свет выклю-
чается в промежутке между максимумами. Величина сдвига при выключении
света в момент наступления максимума увеличивается по мере удлинения
темновой фазы и достигает максимума, когда она равна 9 час. Это означает,
что в естественном процессе колебаний система, двигаясь от границы А,
достигает границы В за 9 час. Однако во время более коротких воздействий
система, очевидно, проходит только часть пути от А до В, прежде чем она
повернет обратно к А вследствие возобновления освещения с низкой интен-
сивностью.
Интересно сравнить действие света и темноты на часовую систему
Bryophyllum. Чтобы вызвать максимальный сдвиг фазы (переместить осцил-
лятор из В в Л), продолжительность светового воздействия, оканчиваю-
щегося в определенный момент в интервале между максимумами ритма,
должна быть равна 1—3 час. В то же время продолжительность темнового
воздействия, начинающегося в момент достижения максимума ритма в осве-
щенных листьях и вызывающего максимальный сдвиг фазы (перемещение-
осциллятора из Л в В), равна 6—9 час. Далее, при переходе от темноты
к непрерывному освещению ритм всегда затухает, тогда как переход от осве-
щения к непрерывной темноте вызывает только сдвиг фазы и никогда
не угнетает ритм.
Наиболее трудно объяснить с помощью осцилляторной модели, почему
переход к непрерывной темноте в интервале между максимумами ритма,
существующего в освещенных листьях, вызывает сдвиг фазы, тогда как
6-часовое затемнение при тех же условиях не оказывает подобного дейст-
вия. В свое время Бюннинг [36] высказал предположение, что сдвиг фазы
ритма у различных организмов при изменении температуры может быть
связан с некоторым изменением среднего уровня, относительно которого
колеблется осциллятор. Автор [31] предлагает аналогичное объяснение
указанному явлению: при уменьшении интенсивности света на 80% система
осцилляторов колеблется около уровня, несколько отличающегося от уровня
колебаний в темноте, и тогда переход от светового уровня к темновому воз-
можен только при выключении света на срок более 6 час. Очень привлека-
тельным казалось бы другое объяснение: переход к непрерывной темноте
в интервале между максимумами ритма влияет на фазу осциллятора лишь
в том случае, если система находится при этом на той стадии цикла
(вблизи А), когда она чувствительна к темновому воздействию. Это объяс-
нение было бы приемлемым, если бы не было известно, что момент выклю-
чения света определяет положение первого максимума после наступления
Влияние света на ритмы растений
217
темноты. Ясно, что прежде чем пускаться в дальнейшие спекуляции, необ-
ходимо более детально исследовать это явление.
Модель, предложенная - в этой статье, позволяет объяснить многие
результаты, полученные при изучении ритма выделения СО2 в листьях
Bryophyllum', она подтверждается также результатами, полученными
на ритмах Euglena, Gonyaulax и Avena. Однако на основании этой модели
нельзя объяснить существование переходных состояний, наблюдаемых
в ритме Euglena после одиночного светового воздействия [33]. Как у
Bryophyllum, так и у Gonyaulax [14] состояние с новой стабильной фазой
достигается сразу же после одиночного светового воздействия. Для того
чтобы объяснить промежуточные стадии в ритме Euglena, мы примем модель
двух связанных осцилляторов [33], один из которых чувствителен к свету,
а другой — к температурным изменениям. Затем можно все характеристики
вышеописанной модели применить к осциллятору, чувствительному
к свету. Хотя нельзя игнорировать тот факт, что часы у Bryophyllum идут
медленнее после воздействия на них быстро чередующихся периодов света
и темноты, очевидное отсутствие промежуточных стадий после одиночного
светового воздействия и у Gonyaulax и у Bryophyllum доказывает, по-види-
мому, что в клеточных часах имеется только один осциллятор. Автор (неопуб-
ликованные результаты) установил, что в листьях Bryophyllum, находя-
щихся в темноте, повышение температуры на несколько часов до 36° изме-
няет фазу ритма лишь в том случае, если оно приходится на ту стадию ритма,
которая чувствительна к световому воздействию. Охлаждение листьев
на несколько часов также изменяет фазу часов только тогда, когда оно
совпадает по времени со стадией ритма, чувствительной к темновому воздей-
ствию. Результаты, полученные до сих пор, не дают никаких указаний
на то, что температурные и световые циклы действуют на разные осцилля-
торы. Однако этот вопрос остается открытым до тех пор, пока всесторонне
не проанализировано затягивание ритмов в результате воздействия света
и темноты и воздействия высоких и низких температур. Исключение, воз-
можно, составляют переходные стадии^ наблюдаемые после воздействия
нециркадных циклов света и темноты.
В заключение необходимо упомянуть, что наряду с такими растениями,
как Bryophyllum, Gonyaulax, Avena, Euglena и Pilobolus, ритмы которых
обладают высокой чувствительностью к освещению, существует ряд расте-
ний, например Phaseolus, Hydrodictyon и Daldinia, у которых эта чувстви-
тельность значительно ниже.
ЛИТЕРАТУРА
1. Z i n n J. G., Von dem Schlafe der Pflanzen. Hamburgisches Magazin, 22, 40—50
(1759).
2. Wilkins M. B., An endogenous rhythm in the rate of CO2 output of Bryophyl-
lum. I. Some preliminary experiments, J Exp. Bot., 10, 377—390 (1959).
3. Pittendrigh C. S., Bruce V. G., Rosensweig N.S.,Rubin M. L.,
Growth patterns in Neurospora, Nature, 184, 169—171 (1959).
4. S c h m i d 1 e A., Die Tagesperiodizitat der asexuellen Reproduktion von Pilobo-
lus sphaerosporus, Arch. Mikrobiol., 16, 80—100 (1954).
5. Uebelmesser E. R., Uber den endonomen Tages-rhythmus der Sporangientra-
gerbildung von Pilobolus, Arch. Mikrobiol., 20, 1—33 (1954).
6. Ingold С. T., С о x V. J., Periodicity of spore discharge in Daldinia, Ann. Bot.,
19, 201—209 (1955).
218
М. Уилкинс
7. Buhnemann F., Die rhythmische Sporenbildung von Oedogonium cardiacutn
Wittr. Dissertation zur Erlangung des Doktorgrades der Naturwissenschaftlichen
Fakultat der Justus Liebig-Hochschule zu Giessen (1954).
8. Buhnemann F., Die rhythmische Sporenbildung von Oedogonium cardiacutn,
Biol. Zbl., 74, 1—54 (1955).
9. Buhnemann F., Das endodiurnale System der Oedogonium-Zelle. II. Der
Einfluss von Stoffwechselgiften und anderen Wirkstoffen, Biol. Zbl., 74, 691 —
705 (1955).
10. Buhnemann F., Das endodiurnale System der Oedogonium-Zelle. III. Uber
die Temperatureinfluss, Zeit. Naturforsch., 10b, 305—312 (1955).
11. Buhnemann F., Das endodiurnale System der Oedogonium-Zelle. IV. Die
Wirkung verschiedenerSpektralbereiche auf dieSporutaions- und Mitoser- rhythmik,
Planta, 75, 227—225 (1955).
12. Pirson A., Schon W. H., Dori ng H., Wachstums- und Stoffwechsel-
periodik bei Hydrodictyon, Zeit. Naturforsch., 9b, 350—353 (1954).
13. Schon W. J., Periodische Schwankungen der Photosynthese und Atmung bei
Hydrodictyon, Flora, 142, 347—380 (1955).
14. Hastings J. W., Sweeney В. M., A persistent diurnal rhythm of lumines-
cence in Gonyaulax polyedra, Biol. Bull., 115, 440—458 (1958).
15. В u s c h G., Uber die photoperiodische Formanderung der Chloroplasten von Sela-
ginella serpens, Biol. Zbl., 72, 598—629 (1953).
15. Ball N. G., D у к e I. J., The effects of decapitation, lack of oxygen and low
temperature on the endogenous 24-hour rhythm in the growth rate of the Avena
coleoptile, J. Exp. Bot., 8, 323—338 (1957).
17. E n d e r 1 e W., Tagesperiodische Wachstums- und Turgorschwankungen an Gewe-
bekulturen, Planta, 39, 530—588 (1951).
18. Bruce V. G., Pittendrigh C. S., Temperature independence in a unicel-
lular «clock», Proc. Nat. Acad. Sci., 42, 676—682 (1956).
19. В u n n i n g E., Die physiologische Uhr, Naturwiss. Rundschau., 9, 351—357 (1956).
20. Pittendrigh C. S., On temperature independence in the clock system control-
ling emergence time in Drosophila, Proc. Nat. Acad. Sci., 40, 1018—1029 (1954).
21. Wilkins M. B., Rhythmic phenomena in plants, Ph. D. Thesis, University
of London, May, 1958.
22. В a 1 1 N. G., Dyke I. J., W i 1 к i n s M. B., The occurrence of endogenous
rhythms in the coleoptiles in various cereal genera, J. Exp. Bot., 8, 299—347
(1957).
23. В a 1 1 N. G., Dyke I. J., An endogenous 24-hour rhythm in the growth rate
of the Avena coleoptile, J. Exp. Bot., 5, 421—433 (1954).
24. Kleinhoonte A. Uber die durch das Licht regulierten autonomen Bewegungen
der Canavalia-Blatter, Arch, neerl. Sci. ex. et nat. Illb, 5, 1 —110 (1929).
25. В tinning E., Endogenouse diurnal cycles of activity in plants, p. Ill —126.
Rhythmic and Synthetic Processes in Growth, ed. Rudnik, Princeton, Princeton
Univ. Press, 1957. z
26. В u nsow R., Endogene Tagesrhythmik und Photoperiodismus bei Kalanchoe
blossfeldiana, Planta, 42, 220—252 (1953).
27. Fl tig el A., Die Gesetzmassigkeiten der endogenen Tagesrhythmik, Planta,
37, 337—375 (1949).
28. Biinning E., Lorcher L., Regulierung und Auslosung endogen-tagesperio-
discher Blattbewegungen durch verschiedene Lichtqualitaten, Naturwissenschaf-
ten, 17, 472 (1957).
29. Schmitz J., Uber Beziehungen zwischen Bliitenbildung in verschiedene Licht-
Dunkel kombinationen und Atmungs rhythmik bei wechselnden photoperiodischen
Bedingungen, Planta, 39, 271—308 (1951).
Влияние света на ритмы растений
219
30. Armin Prinz zur Lippe, Uber den Einfluss des vorangegangenen Licht-
Dunkelwechsels auf die CO2-Ausscheidung der Primarblatter von Phaseolus
multiflorus in ausschlissenden Dunkelheit, Z. Bot., 44, 297—318 (1956).
31. Wilkins M. B., An endogenous rhythm in the rate of CO2 output of Bryophyl-
lum. II. The effects of light and darkness on the phase and period of the rhythm,
J. Exp. Bot. (in press) (1960).
32. Engel H., Frinderichsen I., Das Licht als Ursache periodische Gut-
tationsschwankungen etiolierter Haferkeimlinge, Planta, 39, 309—337 (1951).
33. Pittendrigh C. S., Bruce V. G., Daily rhythms as coupled oscillator
systems and their relation to thermoperiodism and photoperiodism, p. 475—
505, Photoperiodism and Related Phenomena in Plants and Animals, ed. Withrow,
Washington, A. A. A. S., 1959.
34. Ehret C. F., Induction of phase shifts in cellular rhythmicity by far ultra-violet
and its restoration by visible radiant energy, p. 541—550. Photoperiodism and
Related Phenomena in Plants and Animals, ed. Withrow, Washington, A. A. A. S.,
1959.
35. Brandt W. H., Zonation in a prolineless strain of Neurospora, Mycologia, 45,
194 (1953).
36. Bunning E., Cellular clocks, Nature, 181, 1169—1171 (1956).
37. Hastings J. W., Sweeney В. M., The Gonyaulax clock, p. 567—584.
Photoperiodism and Related Phenomena in Plants and Animals, ed. Withrow,
Washington, A. A. A. S., 1959.
38. Hastings J. W., Sweeney В. M., The action spectrum for shifting the
phase of the rhythm of luminescence in Gonyaulax, J. Gen. Phys., 43, 697— 706
(1960).
МЕТАБОЛИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ЦИРКАДНЫХ
РИТМОВ
ДЖ. ГАСТИНГС
Биохимические аспекты ритмов:
сдвиг фазы, вызываемый химическими
соединениями
о
Биохимические исследования ритмических систем непосредственно свя-
заны с основной задачей, стоящей перед нами,— с выяснением способа
действия ритмического механизма и его физико-химической природы.
В настоящее время трудно оценить, как будут развиваться исследования
в этой области, которой биохимики занимаются уже 30 лет, пытаясь понять,
лежит ли в основе ритмической активности эндогенный физико-химичес-
кий механизм или же она обусловлена экзогенными факторами.
Многие биохимические данные, полученные в то время, свидетель-
ствуют в пользу эндогенной природы биологических часов [1—3]. Однака
некоторые наблюдения [4, 5] в дальнейшем не подтвердились [6, 7].
В настоящее время биохимические исследования направлены в основ-
ном на выяснение механизма ритмической активности. Хотя детали про-
блемы об экзогенном или эндогенном происхождении ритмов еще обсу-
ждаются [8—10], все исследователи согласны с тем, что в клетке суще-
ствует эндогенный часовой механизм, функционирование которого сопро-
вождается физиологическими и биохимическими колебаниями. Единствен-
ное, что неясно, в какой степени автономен такой механизм. По-видимому,
скорости химических процессов в клетке подвержены колебаниям, причем
существует замечательно тонкая регуляция этих колебаний. Этот вопрос
и будет рассмотрен в данной статье.
Возможна л» такая система, согласуется ли она с современными пред-
ставлениями о химии клетки? Можем ли мы указать такую модельную^
систему, которая иллюстрировала бы основные принципы, лежащие, по>
нашему предположению, в основе осциллирующих систем?
Б иохимические аспекты ритмов
221
Биологические ритмы представляют собой незатухающие колебания
<с периодом, равным одному дню или более; привести пример изолирован-
ной и изученной биохимической системы, обладающей такими же свой-
ствами, невозможно. Но существование подобного механизма в природе
вполне вероятно. Важно лишь выяснить, основан ли этот механизм на уже
известных явлениях или же мы имеем здесь дело с абсолютно новыми для
нас процессами.
В современной биологии можно найти достаточное количество дан-
ных, касающихся этого вторичного, но очень важного аспекта проблемы.
Механизмы химической регуляции найдены и количественно изучены in
vivo и in vitro. С точки зрения адаптации существенное значение имеет
наличие быстродействующей обратной связи, что позволяет регулировать
момент возникновения того или иного процесса в определенное время суток
с точностью до 1 час [11, 12].
В разных системах регуляция с помощью обратной связи осуществляет-
ся посредством различных механизмов. Известны случаи, когда концен-
трация отдельных соединений регулируется посредством изменения ско-
рости синтеза ферментов; в других системах изменяется активность фер-
ментов. Совершенно очевидно, что мы располагаем еще очень неполными
сведениями о механизмах биологической обратной связи, однако вполне
возможно, что в скором времени появится дополнительная информация.
БИОХИМИЯ РИТМИЧЕСКИ АКТИВНЫХ СИСТЕМ
Очень многообещающим’ методом, особенно в будущем, явится гене-
тический анализ ритмически активных систем. Перспективность этого
направления показали уже ранние исследования Бюннинга [13]. Недавно
Стадлер [14] тщательно изучил ген, контролирующий ход часов в Neuro-
spora. Исследования Каракашяна [15] на Paramecium, также обещают быть
п лодотвор ными.
Однако до сих пор метод генетического анализа применяется мало.
Очень удобным объектом для биохимических исследований были бы мутан-
ты со специфическими пищевыми потребностями, но насколько мне изве-
стно, подобные эксперименты предприняты не были.
Другой важный метод — исследование биохимических изменений
и колебаний в зависимости от времени суточного цикла. Питтендрай и дру-
гие авторы указывали, что интерпретация результатов подобных исследо-
ваний сопряжена с определенными трудностями, так как необходимо раз-
личать биохимические процессы, контролируемые часами, и биохимиче-
ские процессы, идентичные самим часам [9]. Мы, конечно, вполне согласны
с этой точкой зрения. Однако на самом деле проблема заключается в другом:
нам недостает сведений и о тех и о других биохимических процессах.
Конечно, получение данных о контролируемых часами процессах нельзя
считать единственной нашей задачей, но они были бы полезны при реше-
нии этой очень сложной проблемы. Хотя мы категорически утверждаем,
что в основе биологических часов лежат биохимические колебания, коли-
чество конкретных данных, подтверждающих это положение, совершенно
ничтожно.
При изучении суточного периодизма необходимо проводить парал-
лельно цитологический, цитохимический и биохимический анализ. Такого
рода исследование изменений объема клеточных ядер было выполнено
Бюннингом [13]. Можно упомянуть ряд других исследований, посвящен-
222
Дж. Гастингс
ных биохимическим изменениям в зависимости от времени суток. К ним
относятся работы Бюннинга, его учеников и сотрудников [13, 16—18],
исследования Пирсона, Шёна и других [19—22], работы Барнума, Хал-
берта и других [23—25], а также исследования Эрета на экстрактах Para-
mecium [26].
В 1957 г. Митракос, Эберхарт и Бюннинг [27] сообщили о суточных
изменениях содержания хлорофилла и каротиноидов в Perilla. Эти изме-
нения были невелики, во многих случаях порядка нескольких процентов.
Позже мы наблюдали устойчивый ритм фотосинтетической активности
у Gonyaulax (фиг. 1) [28]; вначале мы полагали, что этот ритм обусловлен
изменениями в количестве пигмента, но в эксперименте [29] соответствую-
щие изменения в содержании пигмента обнаружены не были (таблица). Мы
пришли к заключению, что ритм можно объяснить, предположив, что изме-
няется концентрация некоторого вещества, ограничивающего скорость
темновой реакции; таким веществом мог бы служить какой-либо фермент
или кофермент.
Содержание пигментов в экстрактах Gonyaulax в разное время суток
Два одинаковых посева культур Gonyaulax были выращены при температуре
20° в условиях чередования 12 час света (5400 лк) и 12 час темноты. За неделю до ана-
лиза одну из культур переносили в условия обратного чередования света и темноты,
причем интенсивность света и температура не изменялись. Первый сбор культуры
осуществляли в момент времени, соответствующий середине темнового периода для
культуры I и середине светового периода для культуры II. Пигменты экстрагировали
метанолом или ацетоном. Концентрации хлорофилла в ацетоне подсчитывали по урав-
нению Ричардса и Томсона [41] и выражали в миллиграммах на 106 клеток. При
подсчете концентрации хлорофилла а в метаноле удельный коэффициент поглоще-
ния был принят равным 102.
Два значения для хлорофилла а в метаноле получены из двух аналогичных
экспериментов. Концентрацию перидинина (основной каротиноид) определяли,
измеряя поглощение при 480 ми, и выражали в единицах поглощения на 106 клеток
на 1 мл экстракта. Было сделано предположение, что при экстракции метанолом
поглощение перидинина при 480 лщ составляет 62% общего поглощения [37].
Содержание пигментов
в ацетоне в метаноле
хлоро- филл а хлоро- филл с хлоро- филл а периди- нин
Культура I
темнота 0,046 0,021 0,025; 0,039 2,13
свет 0,045 0,021 0,026; 0,038 2,08
Культура II
свет 0,060 0,028 0,033; 0,043 1,91
темнота 0,055 0,026 0,033; 0,042 1,93
Так как в процессе фотосинтеза изменяется содержание СО2 в мор-
ской воде, было интересно проследить изменения pH на протяжении суток
(фиг. 2). Оказалось, что величина pH действительно претерпевает резкие
изменения: возрастает во время светового периода и падает в течение тем-
нового. Анализ результатов показал строго экзогенный характер ритма
изменения pH. Например, при пропуске светового периода возрастания pH
не наблюдалось.
_1_____I______I______I_____I......I______I—
8 16 24 32 40 48 56
Время, час
Фиг. 1. Ритм фотосинтетической активности у Gonyaulax.
1 — ритм фотосинтеза в условиях непрерывного слабого освещения (1200 лк) при постоянной тем-
пературе (25 -fc 0,3°); предварительно культура находилась в условиях чередования света и темноты.
В отмеченные крестиками моменты времени культуру в течение 15 мин инкубировали с С14О2
на ярком свету (10 000 лк); II — в клетках, содержащихся при постоянном ярком свете
(10 000 лк), ритм фотосинтеза не наблюдается. О ходе процесса фотосинтеза узнавали таким же
образом, инкубируя культуру в течение 15 мин на ярком свету. Чтобы измерить включение радио-
активной двуокиси углерода, к 20 мл клеточной суспензии добавляли 12,5 рс С14С’г. В 1 мл содер-
жалось приблизительно 11 000 клеток.
Фиг. 2. Периодическое изменение pH культуры Gonyaulax под действием чередования
света и темноты (экзогенный ритм).
Режим чередования показан на оси абсцисс Величина pH непосредственно зависит от освеще-
ния — увеличивается на свету и падает в темноте. Этот вывод иллюстрируется экспериментом,
в котором при пропуске одного светового периода pH продолжало уменьшаться. Измерения pH
производились с помощью самопишущего прибора. Температура 22°.
224
Дж. Гастингс
Недавно Бюннинг [18] и Эрет [26] высказали предположение, что
метаболизм нуклеиновых кислот, возможно, тесно связан с функциониро-
ванием часов. В пользу этого предположения свидетельствует замечательная
стабильность ритмически активных систем при изменении физических
и химических характеристик среды.
Однако до настоящего времени не было получено надежных данных,
подтверждающих связь метаболизма нуклеиновых кислот с ритмической
деятельностью. Будем надеяться, что благодаря работам Эрета, изучаю-
щего этот вопрос на Paramecium, мы узнаем кое-что новое об этой связи
как в общем аспекте, так и в деталях.
4 8 /2 16 20 24
Время, час

Фиг. 3. Включение неорганического фосфата находящимися
в фазе насыщения культурами Gonyaulax в разное время суток.
Культуры содержали в условиях чередования 12 час света и 12 час темноты
при 25°. Радиоактивный неорганический фосфат добавляли в начале каждого
отмеченного периода, после чего через 4 час из образцов выделяли нуклеино-
вые кислоты. Удельная активность ДНК и РНК не проявляет никакой су-
точной ритмичности.
Мы хотели бы подчеркнуть, что в идеале метаболизм нуклеиновых
кислот желательно изучать на неделящейся системе. В нескольких случаях
было показано, что и в отсутствие митозов часы продолжают функциони-
ровать. По крайней мере в одном случае было обнаружено, что часы идут
и тогда, когда клетки делятся чаще, чем 1 раз в 24 час [30].
Поэтому мы можем предположить, что с делением клеток не связан
либо метаболизм ДНК, либо метаболизм РНК.
Для выяснения этого вопроса мы исследовали ритм у Gonyaulax. Была
использована находящаяся в стадии стационарного роста культура, содер-
жавшаяся в условиях чередования света и темноты. В разное время суток
клеткам давали меченный Р32 неорганический фосфат.
Сутки были разделены на 6 равных периодов (фиг. 3), причем первые
три периода растения находились на свету, а вторые три — в темноте.
В начале определенного периода в среду добавляли радиоактивный фосфат;
после четырех часов инкубации клетки подвергали анализу и в это же время
начинали новый аналогичный опыт.
Затем из клеток экстрагировали нуклеиновые кислоты и разделяли их
на фракции ДНК и РНК.
Количества ДНК и РНК, выделяемые в разное время суток, оказались
приблизительно одинаковыми. В результате измерений была вычислена
удельная активность фосфата в расчете на моль оснований данной фракции.
Биохимические аспекты ритмов
225
В настоящее время трудно сказать, существует ли связь между обна-
руженными флуктуациями и часовым механизмом, однако ясно, что в связи
с функционированием часов метаболизм нуклеиновых кислот не подвер-
гается сильным изменениям.
Вполне возможно, что основная масса нуклеиновых кислот предста-
вляет собой своего рода балласт, маскирующий очень малую их фракцию,
связанную с функционированием клеточных часов. Для того чтобы решить
этот вопрос, необходимо разработать усовершенствованные методы выде-
ления разных молекулярных фракций нуклеиновых кислот.
ДЕЙСТВИЕ ИНГИБИТОРОВ НА ЭНДОГЕННЫЕ РИТМЫ
Результаты исследований, посвященных действию ингибиторов, обычно
показывали, что фаза и период ритма удивительно нечувствительны к раз-
личным химическим воздействиям. Наиболее тщательно документирован-
ное исследование было проведено Бюнеманом, изучавшим ритм спорообра-
зования у Oedogonium [31 ]. Он не обнаружил существенных изменений в рит-
мах, действуя на организмы NaCN, 2,4-динитрофенолом, арсенатом натрия,
йодоуксусной кислотой, хинином, медным купоросом, кокаином, 0-индол-
уксусной кислотой, АТФ и рибофлавином. Интенсивные исследования
в этом направлении вел Бюннинг. Он также обнаружил поразительную
нечувствительность ритмов к химическим веществам, но нашел, что такие
соединения, как колхицин и уретан, влияют на период ритма Phaseolus [17].
В недавно вышедших статьях Бюннинга [17, 18] дан прекрасный обзор
других работ по этому вопросу.
При изучении Gonyaulax мы также попытались использовать специ-
фические и неспецифические ингибиторы, чтобы изменить фазу и (или)
период ритма. Наша методика несколько отличалась от той, которую при-
меняли другие авторы. Основное различие состояло в том, что мы в основ-
ном осуществляли кратковременное воздействие ингибиторами, затем клет-
ки отмывали и переносили в свежую среду.
В предыдущих работах [32] мы указывали, что существуют по край-
ней мере два совершенно различных типа ритмов биолюминесценции —
ритм вспышек и ритм постоянного свечения.
Большинство наших предварительных сообщений о свойствах Gonyau-
lax было основано на исследованиях ритма вспышек. Опыты в этом случае
состояли в следующем: культуру стимулировали, пропуская через среду
пузырьки воздуха, а затем измеряли свет, испускаемый в результате возбу-
ждения. Стимуляция пузырьками воздуха менее чем за минуту пол-
ностью истощала клетки, и после этого вспышки прекращались [33].
Опыты такого рода показывают (фиг. 4), что интенсивность биолюмине-
сценции максимальна в середине темнового периода и что ритм сохраняется
в условиях непрерывного слабого освещения. Установлена также связь
фазы ритма биолюминесценции с ритмом фотосинтеза.
В описанных ниже опытах использовался ритм постоянного свече-
ния [34]. Интенсивность этого свечения очень низка: яркость свечения
105 клеток меньше, чем яркость вспышки одной-единственной клетки.
Свечение достигает максимума незадолго до конца темнового периода
и, подобно ритму вспышек, продолжается при постоянных условиях. Соот-
ношение фаз ритмов указано на графике безотносительно к амплитуде.
Мы не будем сравнивать эти два ритма в деталях, однако отметим, что
по своим свойствам они весьма похожи. Величина Qi0 для собственных
226
Дж. Г а с т и н г с
периодов обоих ритмов равна примерно 0,85 [32, 34, 35]. Как в том, так
и в другом ритме единичные световые воздействия вызывают сдвиг фазы,
величина которого зависит от стадии цикла, на которой производилось
воздействие [36].
Фиг. 4. Ритмы Gonyaulax polyedra.
Слева показано несколько ритмов и соотношения их фаз в условиях суточного чередования света
и темноты. Ритм биолюминесценции, измеренный с помощью индуцированных вспышек, имеет
широкий максимум в середине темнового периода и сохраняется при переносе культуры в условия
постоянной температуры и освещения. Ритм фотосинтеза (максимум появляется днем) и ритмы
деления клеток и постоянного свечения (острые максимумы приблизительно в одно и то же время
в конце темнового периода) также продолжаются при переходе к постоянным условиям (графики
здесь не приведены).
Свечение культуры измеряли с помощью фотоумножителя (фиг. 5, А).
Основная линия — свечение; беспорядочные вертикальные линии — спон-
танные вспышки единичных клеток. Заметим, что на второй день фаза
Фиг. 5. Ритм люминесцентного свечения Gonyaulax.
А — свечение культуры в одной пробирке, содержавшейся в постоянной темноте; Б — свече-
ние в 6 пробирках, содержавшихся в условиях постоянного слабого освещения, за исключением
тех периодов, когда их помещали в камеру с фотоумножителем для измерения люминесценции.
Основная линия характеризует ритм свечения, вертикальные линии — спонтанные вспышки
отдельных клеток. Температура 23°.
спонтанного ритма вспышек явно смещается по отношению к фазе ритма
свечения.
Для измерений такого рода необходимо, чтобы культура находилась
в темноте, и поэтому исследовать влияние циклов свет — темнота невоз-
можно. Более того, в условиях непрерывной темноты не хватает света для
Биохимические аспекты ритмов
227
фотосинтеза [37], клетки начинают голодать, и поэтому удается измерить
не больше четырех максимумов. Можно отметить, что уже второй максимум
меньше первого по величине.
Чтобы обойти это затруднение и сделать возможным измерение боль-
шого числа препаратов в одно и то же время, мы собрали установку, позво-
ляющую автоматически измерять люминесценцию культур, находящихся
на свету. Основной частью установки, в которой производятся выборочные
измерения, служит жидкостный сцинтилляционный счетчик, на поворот-
ном круге которого умещается 100 пробирок, содержащих каждая 10—
15 мл культуры.
В верхней части установки находятся источники света; их положение,
интенсивность и программу включения и выключения можно изменять
по мере надобности.
Пробирка, находящаяся на поворотном круге, с помощью серии
подъемников опускается в темную камеру, где находится чувствительный
фотоумножитель. Там излучение улавливается, затем усиливается, и полу-
чившийся результат записывается на диаграммной бумаге. После этого
пробирка поднимается обратно и возвращается на поворотный круг.
Специальный механизм позволяет задавать соответствующую про-
грамму. Можно подобрать предварительно, какие пробирки из общего
числа находящихся на поворотном круге понадобятся в ходе опыта, и уста-
новить по желанию время, в течение которого каждый препарат будет нахо-
диться перед окном фотоумножителя. В наших опытах на измерение каждо-
го препарата отводилось от 30 сек до 4 мин. После того как все препараты
просматривались, процесс измерения повторялся. Опыт ставился таким
образом, чтобы каждая пробирка просматривалась каждый час или каждые
два часа.
Типичная запись на ленте самописца этой установки показана на
фиг. 5, Б. В этом случае шесть одинаковых препаратов, находившихся
в условиях слабого освещения, просматривали один раз в час; их собствен-
ный период оказался немногим более 24 час. Заметим, что на свету макси-
мумы значительно шире.
Полученные для каждой пробирки величины люминесценции мы сво-
дим в таблицу, строим кривые для всех пробирок по отдельности и отме-
чаем время появления максимумов. На фиг. 6 показано изменение вре-
мени появления максимумов люминесценции для одной пробирки в течение
20 дней. В условиях чередования света и темноты максимумы появляются
в одно и то же время дня, при постоянном слабом освещении они запазды-
вают каждый день на 45 мин.
Эту методику мы использовали при исследовании действия различных
соединений на фазу и период ритма. Во всех случаях перед помещением
препаратов в условия постоянного освещения на них воздействовали цик-
лом 12 час света — 12 час темноты.
Основанием для этих опытов послужил тот факт, что кратковремен-
ное воздействие ярким светом на подходящей стадии ритма чрезвычайно
эффективно индуцирует сдвиг фазы, причем этот сдвиг сохраняется на
протяжении всего дальнейшего опыта.
На фиг. 7 показано действие 7-часового освещения, применяемого
в разное время суток. Четко виден сдвиг фазы и его зависимость от стадии:
ритма, на которой производилось освещение.
Кратковременное световое воздействие вызывает определенный химиче-
ский эффект, иными словами, происходит фотохимическая реакция. Конеч-
но, и кратковременное темновое воздействие также вызывает сдвиг фазы [36].
228
Дж. Гастингс
Для того чтобы вызвать эффект, аналогичный этим фотохимическим
реакциям, мы добавляли в среду различные химические соединения. Обычно
с помощью этих соединений мы давали своего рода химический толчок
системе: в определенное время дня в клеточную среду вносили какое-нибудь
химическое вещество, спустя 8—9 час клетки центрифугировали, ресуспен-
дировали и добавляли свежую среду. Так как не исключено, что клетки
Время суток
Фиг. 6. Время появления максимумов люминесцентного свечения
в течение 20 дней.
Измерения производили на одной и той же пробирке приблизительно каждые
2 час тем же способом, что и иа фиг. 5, Б. Первые несколько дней культуру
содержали в условиях чередования 12 час света и 12 час темноты, и макси-
мум появлялся в одно и то же время каждый день. Затем культура находи-
лась в условиях непрерывного освещения, ритм £продолжал существовать,
но его максимум запаздывал каждый день примерно на 45 мин. Следовательно,
собственный период был равен 24 час 45 мин. Температура 24°.
чувствительны лишь на какой-то определенной стадии ритма, опыты ста-
вили таким образом, чтобы проверить чувствительность клеток на всех
стадиях.
В опытах, результаты которых здесь представлены, был использован
5'-фтор-2'-дезоксиуридин (ФДУ); это соединение не оказало заметного
действия на фазу ритма. Был исследован дополнительный вариант, в кото-
ром ФДУ не удаляли после добавления в среду. Во многих случаях это
требовало значительно более низких концентраций по сравнению с их
«импульсной» величиной. Контрольными препаратами служили как нецен-
трифугированные, так и центрифугированные в разное время суток пре-
параты. Во всех опытах измеряли 5 или 6 периодов (показаны только 2 или
3 из них).
В наших экспериментах мы изучали не только действие различных
химических соединений на фазу ритма, но и пытались охарактеризовать
их влияние на биохимические процессы в клетке вообще. Эффективность
этих соединений оценивали по их действию на скорость роста, клеточное
деление и включение радиоактивных сульфата, фосфата и двуокиси угле-
рода. Однако таким образом были проверены не все соединения, применяв-
шиеся в качестве индукторов фазового сдвига.
Биохимические аспекты ритмов
229
ФДУ в структурном отношении похож на тимидинмонофосфат (фтор
замещает метильную группу в положении 5). Известно, что действие ФДУ
на синтез ДНК заключается в том, что он блокирует превращение дезокси-
уридинмонофосфата в тимидинмонофосфат. В опытах с Gonyaulax мы не
доказали, что ФДУ оказывает именно это действие, но установили, что его
введение вызывает эффект, которого следовало ожидать в результате тор-
можения упомянутой выше стадии синтеза ДНК.
Фиг. 7. Сдвиг фазы ритма люминесцентного свечения Gonyaulax под влиянием различ-
ных факторов.
На этом и всех последующих рисунках показаны эксперименты с большим числом культур, нахо-
дившихся при температуре 24°. Ход и результаты эксперимента с каждой культурой отмечаются
на горизонтальной линии, моменты появления максимумов в течение ряда последовательных дней
показаны черными треугольниками. Предварительно культуры подвергали воздействию 12 час
света и 12 час темноты, которое оканчивалось через 12 час после последнего темнового периода
(зачерненные полоски слева), затем культуры находились в условиях постоянного слабого освеще-
ния. Показаны сдвиги фазы в результате облучения ярким светом в разное время суток. Время
применения светового воздействия обозначено светлыми полосками на горизонтальных линиях.
Заметим, что сдвиг фазы очень сильно зависит от того, в какое время Суток действовал свет.
Химические «импульсы» обозначены подобным же способом. В том случае, когда соединение
не было удалено из среды, светлая полоска продолжена вправо до конца. Название соединения
и его конечная концентрация написаны справа. Центрифугированными контролями служили
пробы, к которым вместо химического соединения была добавлена дистиллированная вода, после
чего обычным способом проводилось центрифугирование и ресуспендирование чистой среды.
При концентрациях порядка 10“5 М ФДУ прекращает рост и деление
клеток. Более того, он заметно тормозит скорость включения неорганиче-
ского фосфата. Однако действие ФДУ на скорость включения С14О2 стано-
вится очевидным только после ла-фазы, равной 12 час.
Другие эксперименты также говорят в пользу того, что ни прекра-
щение клеточного деления, ни метаболизм ДНК, ни то и другое вместе
не влияют на фазу клеточных часов. Эту точку зрения подтверждают опыты
Брюса и Питтендрая с Euglena [30].
Рост клеток можно также остановить, если содержать растение в усло-
виях очень слабой интенсивности света. Фактически во всех эксперимен-
тах, которые мы здесь описываем, клетки росли очень мало или не росли
вовсе. Однако только при добавлении специфического ингибитора мы можем
быть уверенными в том, что метаболизм некоторой конкретной биохими-
ческой системы действительно прекращен.
Была исследована также возможная роль синтеза белков в механизме
ритмической активности. Мы уже знали и еще раз подтвердили, что содер-
жание в клетке фермента люциферазы изменяется в течение суток. Пред-
полагалось, что можно изменить фазу часов, блокируя или ускоряя синтез
белка.
230
Дж. Гастингс
Мы попытались сделать это, используя множество различных соеди-
нений: аминокислоты, аналоги аминокислот, ингибиторы синтеза белков
и промежуточные соединения в цепи синтеза белка. В результате было
показано, что единственное соединение, вызывающее подобный эффект,—
это хлорамфеникол. Но и в этом случае нет уверенности в том, что это веще-
ство влияет только на синтез белка. В присутствии хлорамфеникола
(6-Ю-4 7И) скорость включения сульфата уменьшается вдвое, а деление
и рост клеток быстро прекращаются. Скорость фиксации СО2 составляет
15% от величины ее в контроле. Никаких фазовых сдвигов не происходит
(см. фиг. 10).
Как показывает фиг. 8, многие соединения действуют очень слабо
или вовсе не действуют на фазу ритма. В общем эти соединения вредны
Фиг. 8. Влияние различных химических соединений на фазу ритма.
Заметим, что, по-видимому, в некоторых случаях (К.С1 и AgNOs) был обнаружен сдвиг фазы
(ср. фиг. 9), но в повторных экспериментах результаты не были воспроизведены. Подробности
см. в тексте и в подписи к фиг. 7.
В контроль были включены также те пробирки, которые подвергались
действию света, что позволяло установить положение вертикальных линий,
определяющих фазу. Чтобы это положение было найдено по возможности
точно, в качестве контроля использовали несколько таких пробирок. На
всех рисунках, иллюстрирующих результаты наших опытов (см. фиг. 7—11),
слева показано окончание режима чередования света и темноты и начало
эксперимента при постоянных условиях, время добавления химических
веществ и момент центрифугирования. Затем один день пропущен и изобра-
жены 3 последовательных максимума. У нас нет данных относительно того,
отличается ли первый день от остальных, но мы пропускали его, чтобы
наблюдать устойчивые фазовые сдвиги. Данные сгруппированы таким
образом, что каждая группа содержит 3 результата, полученные с одним
и тем же соединением, добавленным в разное время суток.
Различные соединения действовали на клетки по-разному. Под влия-
нием большинства веществ вспышки сразу же значительно усиливались.
В нормальных условиях клетки подвижны и образуют суспензию, однако
лри добавлении некоторых веществ (например, серебра или ртути), клетки
теряют подвижность и спустя 8—9 час образуют на дне осадок.
Биохимические аспекты ритмов
231
Можно считать установленным, что подобные вещества оказывают
вредное действие на клетку, но конкретный механизм их действия опреде-
лен не был.
В одних случаях действие химических веществ на фазу ритмов было
очень слабым, в других — вполне заметным. Как показывает фиг. 8, этими
заметными эффектами, по-видимому, пренебрегать нельзя.
Повторяя эксперименты с соединениями, вызывавшими в первых опытах
Время сутр?:
Фиг. 9. Серии контрольных экспериментов, иллюстрирующих точность опытов.
Подробности см. в тексте и в подписи к фиг. 7.
этот эффект не воспроизводился. В других случаях менялся характер эффек-
та. Отсюда мы заключили, что химические воздействия ведут к меньшей
точности процессов, т. е. к увеличению разброса наблюдений. Таким обра-
зом, по-видимому, точность системы ухудшается во «вредных» условиях.
Это предположение было подтверждено серией контрольных экспери-
ментов, в которых были проделаны все манипуляции с добавлением, цен-
трифугированием, ресуспендированием и т. д., но химическое соединение
заменяла дистиллированная вода (фиг. 9).
Заметим, что даже в этих экспериментах отмечается заметный разброс.
Имеется несколько случаев, где фазы отличаются на 2 час. О существовании
такого разброса даже в нормальных условиях никоим образом нельзя
забывать.
Учитывая сказанное, мы хотим подчеркнуть следующее: во-первых,
разброс результатов, получаемых с данной экспериментальной системой,
необходимо подвергать строгому статистическому анализу; во-вторых,
опыты, показывающие, что в некоторых конкретных условиях возникает
сдвиг фазы, необходимо многократно повторять, так как иначе нельзя
232
Дж. Гастингс
исключить возможность того, что полученный результат есть просто след-
ствие возрастающей ошибки.
Фиг. 10 показывает, что хлорамфеникол, как уже упоминалось выше,
не влияет на фазу ритма. Два других опыта дают по существу те же самые
результаты.
Некоторые другие соединения, которые можно считать в общем не-
сколько более специфичными в смысле их действия, вызывают более замет-
ные сдвиги фаз (фиг. 10). Опыты с некоторыми из них были повторены,
и мы получили близкие, хотя и не полностью совпадающие результаты.
Парахлормеркурибензоат (ПХМБ) заметным образом сдвигал фазу ритма,
и при повторении опыта результат подтвердился. В присутствии этого
соединения скорость фотосинтеза составляла 15% нормальной скорости.
Тем- Свет Об 18 Teg 18 06
нота Слабый свет----»-
} Хлорамфеникол 10~*М
} ДНФ 2*10'*$
ПХМБ 2*10~5М
I Арсенит 9*1O~SM
Ч Цианид 9*10'4$
Свет
-« Контроль
Фиг. 10. Соединения, оказывающие явно выраженное действие на фазу ритма.
Особенно четкий эффект вызывает арсенит. Подробности см. в тексте и в подписи к фиг. 7.
Арсенит — ингибитор дитиоловых соединений — был испытан в четы-
рех экспериментах. Результаты двух из них представлены на фиг. 10;
результаты двух других близки к этим. Действие арсенита хорошо вос-
производится, и, несомненно, это наиболее сильнодействующее вещество
из тех, с которыми мы работали.
Цианид оказывает заметное действие на клетки. Он, несомненно, вызы-
вает сдвиг фазы, но величина сдвига может до некоторой степени изменяться
от опыта к опыту.
Известно, что ДНФ (2,4-динитрофенол) усиливает потребление кисло-
рода, разобщая окислительное фосфорилирование. В одном из опытов
ДНФ оказал заметное действие на фазу ритма, но вторично этот результат
не подтвердился. Арсенат в высоких концентрациях, также разобщающий
окислительное фосфорилирование, не вызывает сдвига фазы.
На фиг. 11 показано действие нескольких типов соединений. Два
наиболее интересных — это ХММ и ДХММ (хлорфенилдиметилмочевина
и дихлорфенилдиметилмочевина соответственно), замещенные соединения
мочевины, использованные в качестве гербицидов Дюпоном.
Самое важное их свойство состоит в том, что они очень специфически
угнетают фотосинтез. Например, в темноте гетеротрофный рост Euglena
протекает совершенно нормально в присутствии даже очень высоких кон-
центраций ХММ и ДХММ. Однако на свету рост заметно угнетается даже
при наличии органического углерода и источников энергии [38, 39].
Биохимические аспекты ритмов
233
Оба эти соединения в сильной степени угнетают поглощение С14О2 клет-
ками Gonyaulax\ при концентрации ДХММ, равной 10~7 М, скорость погло-
щения составляет всего несколько процентов от нормальной. Подобный же
эффект наблюдается при концентрации ХММ, равной 10"6 М.
Эти соединения не вызывали никакого сдвига фазы как при кратко-
временном, так и при непрерывном воздействии. И наоборот, что наиболее
интересно, сдвиг фазы клеток под влиянием кратковременного воздействия
светом не менялся, если на клетки предварительно действовали ДХММ.
При исследовании клеточных часов у фотосинтезирующих организмов
важно исключить возможную роль фотосинтеза, учитывая следующие два
факта: 1) известно, что существует устойчивый эндогенный суточный ритм
Фиг. 11. Соединения, оказывающие относительно небольшое действие на фазу ритма.
Подробности см. в тексте и в подписи к фиг. 7.
фотосинтеза, 2) исследование спектров действия показало, что, по-види-
мому, хлорофилл, а также каротиноиды являются теми светочувствитель-
ными пигментами, которые участвуют в механизме сдвига фазы [40].
Таким образом, фотосинтез может быть прекращен, а часы продол-
жают идти, сохраняя присущую им фазу и период колебаний. Если речь
идет о продуктах фотосинтеза, то временная остановка фотосинтеза ана-
логична темновому периоду. Но действительная темнота вызывает сдвиг
фазы, тогда как угнетение фотосинтеза на фазу не влияет. И, наоборот,
для индукции сдвига фаз под влиянием светового импульса процесс фото-
синтеза совершенно не обязателен.
Это еще один пример контролируемого часами процесса, обратное влия-
ние которого на часы очень мало или его не существует вовсе. Аналогичный
вывод мы сделали ранее относительно люминесцентной системы, на кото-
рую также можно воздействовать, не влияя на фазу. Таким образом, исполь-
зуемая методика позволяет отличить химические процессы, контролируемые
часами, от биохимических механизмов самих часов [36].
Наконец, мы можем отметить отсутствие эффекта в экспериментах
с некоторыми интересными соединениями — гибберелином, кинетином
и уретаном.
Хлорпромазин1 — одно из широко распространенных успокаивающих
средств, и мы надеялись, что действие его на клетки заставит их «забыть
время». Оказалось, что клетки очень чувствительны к нему, и приходилось
1 В советской литературе — аминазин.— Прим. ред.
234
Дж. Гастингс
пользоваться крайне малыми концентрациями этого вещества, чтобы не
убить их. Однако сдвиг фазы под действием хлорпромазина не наблюдался.
Мы уже отмечали, что с помощью разнообразных химических методов,
можно, по-видимому, в конце концов достигнуть полного понимания дей-
ствительной физико-химической природы механизма ритмичности. Однако
в настоящее время легче делать выводы относительно биохимических
систем, не участвующих в функционировании часов. Но даже в этом отноше-
нии я настаиваю на осторожности и сдержанности.
Однако я думаю, что мы представили достаточно четкие данные, сви-
детельствующие о возможности индуцировать сдвиг фазы химическими
веществами. Но, как и в предыдущих работах такого рода, механизм и спе-
цифичность реакции, вызывающей сдвиг фазы, еще неясны. В подобных
исследованиях необходимо серьезно продумывать постановку эксперимен-
тов и с осторожностью подходить к их интерпретации; особое внимание
должно быть уделено вопросу воспроизводимости результатов.
Поскольку в последнее время химический аспект проблемы биоло-
гических часов привлек внимание многих исследователей, работающих
с разными организмами, можно ожидать, что в этой области будут достиг-
нуты крупные успехи. Будем надеяться, что многое мы услышим на этой
конференции.
ЛИТЕРАТУРА
1. К al mus Н., Periodizitat und Autochronie (Ideochroniej als Zeitregelnde
Eigenschaften bei Organismen, Biol. Generalis, 11, 93—114, 1935.
2. К a 1 m u s H., Tagesperiodische verlaufende Vorgange an der Stabheuschrecke
(Dixippus morosus) und ihre experimentelle Beeinflussung, Z. vergl. Physiol.,
25, 494—508, 1938.
3. В ii n n i n g E., Zur Kenntnis der endogenen Tagesrhythmik bei Insekten und bei
Pflanzen, Ber. deutsch. bot. Ges., 53, 594—623, 1935—1936.
4. Grabensberger W., Untersuchungen uber das Zeitgedachtnis der Ameisen
und Termiten, Zeit. fiir Vergleichende Physiol., 20, 1—54, 1933—1934.
5. Grabensberger W., Experimentelle Untersuchungen fiber das Zeitgedachtnis
von Bienen und Wespen nach Verfiitterung von Euchinin und Jodthyreoglobulin,
Z. f. Vergl. Physiol., 20, 338—342, 1933—1934.
6. Reichle F., Untersuchungen uber Frequenzrhythmen bei Ameisen, Zeit. vergl.
Physiol., 30, 227—251, 1942—1944.
7. Renner M., Neue Versuche fiber den Zeitsinn der Honigbiene, Zeit. vergl.
Physiol., 40, 85—118, 1957.
8. Pittendrigh C. S.,Bruce V. G., An oscillator model for biological 'clocks,
p. 75—109. Rhythmic and Synthetic Processes in Growth, ed.< Rudnick. Prince-
ton: Princeton University Press, 1957.
9. Pittendrigh C. S., Perspectives in the study of biological clocks, p. 239—
268. Perspectives in Marine Biology, ed. A. A. Buzzati-Traverso. Berkeley and
Los Angeles: University of California Press, 1958.
10. В г о w n F. A., Jr., Living clocks. Science, 130, 1535—1544, 1959.
11. Umbarger H. E., Brown B., Isoleucine and valine metabolism in Escheri-
chia coli. VII. A negative feedback mechanism controlling isoleucine biosynthesis
J. Biol. Chem., 233, 415—420, 1958.
12. G о t s J. S., Purine metabolism in bacteria V. Feed-back inhibition, J. Biol.
Chem., 228, 57—66, 1957.
13. В tinning E., Endogenous diurnal rhythmicity. Photoperiodism and Related
Phenomena in Plants and Animals, ed. Withrow. Washington, A. A. A. S., 1959.
Биохимические аспекты ритмов
235
14. S t a d 1 е г D. R., Genetic control of a cyclic growth pattern in Neurospora, Nature,
184, 170—171, 1959.
15. К ar akash i an M. W., Cold Spring Harbor Symp. on Quant. Biol., Vol. 25,
1960.
16. Bunning E., Endogenous rhythms in plants. Ann. Rev. Plant Physiol., 7,
71—90, 1956.
17. В ii n n i n g E., Endogenous diurnal cycles of activity in plants, p. Ill—126.
Rhythmic and Synthetic Processes in Growth, ed. Rudnick. Princeton: Princeton
University Press.
18. В ii n n i ng E., Die Physiologische Uhr. Berlin: Springer-Verlag, 1958.
19. P i r s о n A., Schon W. J., Doring H., Wachtums und Stoffwechsel-
periodik bei Hydrodictyon, Zeit. F. Naturforschg., 9b, 350—353, 1954.
20. S c h 6 n W. J., Periodische Schwankungen der Photosyntheses und Atmung bei
Hydrohictyon, Flora, 142, 347—380, 1955.
21. Pirson A., Schon W. J., Versuche zur analyse der Stoffwechselperiodik
bei Hydrodictyon, Flora, 144, 447—466, 1957.
22. Pirson A., Lorenzen H., Ein endogenen Zeitfaktor bei der Teilung von
Chlorella, Z. Bot., 46, 53—67, 1958.
23. В a r n u m С. P., Halberg F., A 24-hour periodicity in relative specific
activity of phosphorus fractions from liver microsomes of mice. Metabolism:
Clinical and Experimental, 2, 271—275, 1953.
24. Halberg F., Vermund H., Halberg E., В a r n u m С. P., Adrenal
hormones and phospholipid metabolism in liver cytoplasm of adrenalectomized
mice. Endocrinology, 59, 364—368, 1956.
25. Barnum С. P., Jardetzky C. D., Halberg F., Time relations among
metabolic and morphologic 24-hour changes in mouse liver. Am. J. Physiol.,
195, 301—310, 1958.
26. Ehret C. F., Photobiology and biochemistry of circadian rhythms in non-
photosynthesizing cells, Fed. Proc., 18, 1232—1240, 1959.
27. Mitrakos K. von, Bunning E., Eberhardt F., Endogentagesperio-
disch Schwankungen der Chloroplasten-Farbstoffe. Z. Naturforschg., 12b,
813—814, 1957.
28. Hastings J. W., Astrachan L., A diurnal rhythm of photosynthesis,
Fed. Proc., 18, 65, 1959.
29. Hastings J. W., Astrachan L., Sweeney В. M., Unpublished
experiments, 1959.
30. В r u с e V. G., Pittendrigh C. S., Temperature independence in a uni-
cellular «clock», Proc. Nat. Acad. Sci., 43, 676—682, 1956.
31. Buhnemann F., Das endodiurnale System der Oedogoniumzelle II. Der Einf-
luss von Stoffwechselgiften und anderen Wirkstoffen. Biol. Zentralblatt, 74,
691—705, 1955.
32. Hastings J. W., Sweeney В. M., The Gonyaulax clock, p. 567—584.
Photoperiodism and Related Phenomena in Plants and Animals, ed. Withrow.
Washington, A. A. A. S., 1959.
33. Sweeney В. M., Hastings J. W., Characteristics of the diurnal rhythm
of luminescence in Gonyaulax polyedra, J. Cell. Comp. Physiol., 49, 115—128,
1957.
34. S w e e n e у В. M., Hastings J. W., Rhythmic cell division in populations
of Gonyaulax polyedra. J. Protozoology, 5, 217—224, 1958.
35. Hastings J. W., Sweeney В. M., On the mechanism of temperature
independence in a biological clock, Proc. Nat. Acad. Sci., 43, 804—811, 1957.
36. Hastings J. W., Sweeney В. M., A persistent diurnal rhythm of lumi-
nescence in Gonyaulax polyedra, Biol. Bull., 115, 440—458, 1958.
236
Дж. Гастингс
37. Sweeney В. М., Н а х о F. Т., Н a s t i n gs J. W., Action spectra for two
effects of light on the luminescence of Gonyaulax polyedra, J. Gen. Physiol.,
43, 285—299, 1959.
38. В u c h a H. С., T о d d C. W., 3(p-Chlorophenyl-l,l-Dimethyl) urea — A new
herbicide, Science, 114, 493—494, 1951.
39. В i s h о p N. I., The influence of the herbicide, DCMU, on the oxygen-evolving
system of photosynthesis. Biochem. Biophys. Acta., 27, 205—206, 1958.
40. Hastings J. W., Sweeney В. M., The action spectrum for shifting the
phase of the rhythm of luminescence in Gonyaulax polyedra, J. Gen. Physiol.,
43, 697—706, 1960.
41. Richards F. A., Thompson T. G., The estimation and characterization
of plankton populations by pigment analyses. II. A spectrophotometric method
for the estimation of plankton pigments, J. Marine Res., 11, 156—172, 1952.
ОБСУЖДЕНИЕ ДОКЛАДА
Каракашян. Мне хотелось бы рассказать о некоторых неопубли-
кованных исследованиях на простейших. Недавно удалось обнаружить
циркадный ритм способности к конъюгации у Paramecium aurelia, синген 3.
Так как позднее эта работа будет опубликована со всеми подробностями,
здесь я изложу только часть полученных данных.
Типичный ход конъюгации культур, находящихся в лаборатории
в условиях чередования света и темноты и при определенной температуре,
показан на фиг. 1. Эти кривые получают следующим образом. Отделенные
друг от друга культуры с типами конъюгации V и VI находятся в одинаковых
внешних условиях. В моменты времени, отмеченные на оси абсцисс, сме-
шивают культуры, содержащие приблизительно одинаковое число клеток
этих двух типов, и подсчитывают, какая часть клеток агглютинировала
в течение 15 мин. Такие смеси обычно содержат 100—150 отдельных клеток.
Каждая точка на кривой вычислена на основании нескольких результатов,
полученных на одной и той же паре культур. Для того чтобы облегчить
сравнение кривых, используется линейная интерполяция. Если опыты
с несколькими пробами одной и той же пары культур производят в одно'
и то же время, получаются полностью совпадающие результаты. Различия
в амплитуде кривых объясняются, скорее всего, не совсем одинаковыми
условиями питания разных популяций.
При переносе культур из условий чередования света и темноты в усло-
вия непрерывной темноты ритмическая активность сохраняется (фиг. 2).
Трудности, возникающие в связи с тем, что питание инфузорий в этих
условиях невозможно достаточно точно проконтролировать, до сих пор
не позволили надежно проследить ход конъюгации в течение более чем
четырех дней. Максимум способности к конъюгации в этих культурах опе-
режает на час или два в день максимум конъюгации культур, находящихся
в условиях чередования света и темноты; следовательно, в темноте соб-
ственный период меньше 24 час.
В таблице приведены величины периодов для тех экспериментов,
в которых удалось зарегистрировать по меньшей мере 3 максимума. Разброс
полученных данных отражает, по-видимому, как погрешности экспери-
мента и недостаточную точность определения времени появления макси-
мумов, так и некоторую изменчивость самих популяций. Производить стати-
стическую обработку данных в этом случае не имело смысла, но и без
статистики ясно, что период ритма культур, находящихся в условиях
Фиг. 1. Суточная периодичность конъюгации линии 37 рА.
I, II, III — три одинаковые пары культур, находившиеся при температуре 17,3 ± 0,5° в усло-
виях чередования 10-часового светового периода (белый флуоресцентный свет 2160 лк) л 14-часо-
вого темнового периода. Стрелки отмечают время появления максимума способности к конъюга-
ции. По оси ординат отложена доля особей, вступивших в конъюгацию за 15 мин.
Время пребывания в темнот^пас
Фиг. 2. Сохранение ритма конъюгации линии 37 рА в темноте.
Кривые I—V соответствуют парам культур, которые после пребывания в условиях трехкратного
чередования 10 час света — 14 час темноты в конце последнего светового периода (0 час) были
перенесены в темноту. Стрелки отмечают время появления максимума способности к конъюгации.
238
Дж, Гастингс
Условия опыта Номер опыта Период, час Средний период, час
Чередование света и тем- 3-31-59 24у; 24 24 ~4
ноты 4-15-59 26; 22 24
3-10-60 24; 24; 23 у,- 24 у; 24
24
Непрерывная темнота 4-15-59 22 у; 24 у 23 4
4-12-60 21; 24; 19 214-
5-17-60 22 4;214 22
чередования света и темноты, близок к 24 час, тогда как в непрерывной
темноте он меньше 24 час.
Влияние циклов чередования света и темноты с различной длитель-
ностью световой фазы показано на фиг. 3. В настоящее время создается
Фиг. 3. Влияние светового режима на время появления мак-
симума способности к конъюгации.
Координаты точек, находящихся на диагонали, соответствуют длительности
темновой и световой фаз. Моменты появления максимумов способности
к конъюгации обозначены галочками.
впечатление, что период ритма конъюгации в популяциях Р, aurelia опре-
деляется не только началом или концом световой фазы, но и какими-то дру-
гими факторами.
Этот ритм изучается на географически обособленных, но скрещиваю-
щихся между собой организмах этого сингена. На этих организмах уже
обнаружены межлинейные различия в отношении сохранения при постоян-
ных условиях длительности собственного периода и характера реакции на
циклические воздействия при аномальной длине периода. В ближайшее
Биохимические аспекты ритмов
239
время мы предполагаем провести генетический анализ для выяснения при-
роды этих различий. Благодаря своеобразию системы размножения реснич-
ных инфузорий генетический метод особенно удобен при работе с Р. aurelia.
Генетические и цитологические исследования позволяют различить роль
ядра и цитоплазмы в ритмической активности и установить, каким образом
наследуются некоторые свойства биологических часов.
Бюннинг. В опытах, сходных с опытами Бюнемана на Oedogonium,
было найдено, что с помощью цианида можно полностью подавить перио-
дическое спорообразование, не сдвигая фазы часов. Однако эти экспери-
менты не доказывают, что часы будут функционировать и при полностью
выключенном дыхании. Очевидно лишь, что для большинства процессов,
контролируемых часами, минимальный уровень дыхания выше, чем для
самих часов. Только в том случае, когда уровень дыхания падает значи-
тельно ниже, чем это необходимо для прекращения контролируемых часами
процессов, подобных спорообразованию, прекращается функционирование
самих часов. Это означает, что для подавления деятельности часового
механизма мы должны употреблять более высокие концентрации дыхатель-
ных ядов и более низкие температуры, чем те, которые подавляют боль-
шинство наблюдаемых ритмов.
Г астинг с. Мне хотелось бы ближе познакомиться с опытами, про-
веденными на Oedogonium, в которых цианид применяли на различных
стадиях суточного цикла. Мне кажется, что имеющиеся данные недоста-
точны для построения на их основе плодотворных гипотез.
Калмус. После многолетних тщетных поисков химических мутаген-
ных веществ в настоящее время обнаружено большое число классов веществ,
оказывающих сильное мутагенное действие. Эти вещества столь многочис-
ленны и разнообразны, что невозможно представить себе какую-то общую
основу их действия. По всей вероятности, они должны действовать непо-
средственно на хромосомы. Возможно, что системы д-ра Гастингса могут
быть использованы для выявления мутагенных и канцерогенных веществ.
Г астинг с. Да, с помощью нашего метода это, вероятно, возможно.
Но я снова хочу подчеркнуть следующее: сначала нам необходимо научиться
различать специфические и неспецифические эффекты и понять механизм
действия различных веществ. В то же время мы должны уделять особое
внимание вопросу воспроизводимости результатов.
Б. С У И Н И
Ритм фотосинтеза в одиночных клетках
Gonyaulax polyedra
о
В условиях непрерывного освещения ярким светом многие биологи-
ческие ритмы исчезают. В качестве примера можно указать ритм движений
листьев у Phaseolus [1], ритм фототаксиса у Euglena [2], ритм выделения
углекислого газа у Bryophyllum [3], ритм активности у жука Ptinus [4].
Обычно суточные ритмы измеряют для множества клеток одновременно:
либо на многоклеточных растениях или животных, либо в популяциях
одноклеточных организмов. При этом трудно определить, исчезает ли ритм
в ансамбле клеток в результате исчезновения ритма в каждой клетке или
в результате нарушения синхронности между клетками, каждая из которых
сохраняет ритмичность функционирования. Подтверждением гипотезы об
утрате ритма на ярком свету каждой клеткой могут служить опыты на
Vicia faba. Ядра эпидермальных клеток Vicia faba, выращенных в этих
условиях, имеют постоянный малый объем [5], тогда как в ядрах эпидер-
мальных клеток растений, выращенных в условиях чередования света
и темноты, наблюдаются небольшие, но заметные изменения объема в тече-
ние суток.
Самый прямой метод для выбора одной из двух возможных гипотез
о причинах исчезновения ритма в популяции клеток — изучение ритмич-
ности одиночной клетки. Весьма удобной для этой цели оказалась одно-
клеточная водоросль Gonyaulax polyedra. Этот организм обладает суточным
ритмом люминесценции [6, 7], клеточного деления [8] и фотосинтеза [9].
Если суспензию клеток долго освещать ярким светом, все ритмы исчезают,
хотя рост в этих условиях не нарушается.
Яркий свет подавляет люминесценцию, поэтому измерение количества
света, испускаемого одиночной клеткой, не приводит к установлению чет-
кого ритма. Используя капиллярные трубки, можно наблюдать деление
одиночных клеток. В условиях чередования света и темноты такие изоли-
рованные клетки делятся обычно на рассвете, так что время генерации
этих клеток кратно 24 час. Клетки, выращенные на ярком свету, не делятся
через определенные интервалы, и поэтому их время генерации измерить
трудно. Однако удалось установить, что по крайней мере у трети или поло-
вины клеток, выращенных на ярком свету, время генерации не кратно даже
21—25-часовому периоду. Таким образом, предположение о потере ритмич-
ности отдельной клеткой получило убедительное подтверждение.
Оставалась возможность обнаружить у одиночной клетки на ярком
свету ритм фотосинтеза. На основании измерений фотосинтеза обычной
методикой можно было ожидать выделения 1 мул кислорода в час на
Ритм фотосинтеза в одиночных клетках
241
клетку. Микрореспирометр соответствующей чувствительности был разра-
ботан Сколандером, Клаффом и Свейнсоном [10, 11]. В нем используется
поплавковый респирометр, в котором объем пузырька газа поддерживается
постоянным.
В настоящей работе выделение кислорода измерялось в откачанных,
а не в насыщенных кислородом растворах. Использовались клетки свеже-
посеянных быстрорастущих культур. Клетка, промытая питательным рас-
твором, содержащим 0,02 М NaHCO3, освещалась светом лампы накали-
вания при температуре 26 ± 0,02°. Из фиг. 1 можно видеть, что этот метод
дает удовлетворительные результаты.
Фиг. 1. Изменение давления в поплавковом микрореспирометре,
содержащем одиночную клетку Gonyaulax polyedra.
Клетку, находящуюся в питательном растворе 0,02 М бикарбоната натрия
при 26°, облучали светом лампы накаливания. Интенсивность облучения
менялась в моменты, указанные стрелками. Клетка взята из культуры,
растущей при чередовании света и темноты (СТ12 : 12, последний световой
период начинался за 30 мин до нулевого момента времени на оси абсцисс).
Множитель для перевода давления, выраженного в мм рт. ст., в мр.л Ог
равен 0,032.
> В суспензиях клеток Gonyaulax можно было наблюдать ритм фото-
синтетической активности только в том случае, когда измерения фиксации
углерода производились на ярком свету [9, 12]. Поэтому был сделан вывод,
что в соответствии с фазой эндогенного цикла изменяется не эффективность
фотохимической реакции, а фотосинтетическая активность клеток. Ритм
изменения фотосинтетической активности наблюдается в суспензиях кле-
ток, находящихся в условиях чередования света и темноты или при постоян-
ном слабом освещении. На непрерывном ярком свету клетки такого ритма
не обнаруживают.
Прежде чем приступить к исследованию одиночных клеток, выращен-
ных при постоянном ярком освещении, важно было показать, что ритмиче-
ские изменения фотосинтетической активности одиночной клетки могут быть
обнаружены с помощью поплавкового респирометра. С этой целью в ряде
опытов использовались клетки, выращенные в условиях чередования
света и темноты (12 : 12). Измерялась скорость выделения кислорода при
насыщающей интенсивности света в разное время суток. Кривые с насы-
щением, полученные для одной и той же клетки (фиг.. 2), показывают, что
при низких интенсивностях света фотосинтез идет с постоянной скоростью
по крайней мере в течение 14 час. Однако при насыщающих интенсивностях
242
Б. Суини
наблюдается сильная зависимость скорости фотосинтеза от времени суток.
Истинную скорость выделения кислорода находили с учетом поправки на
дыхание. Так как поплавок нельзя наблюдать в темноте, поправку вычис-
ляли экстраполяцией к нулевой интенсивности света.
Измерения с одной клеткой можно производить лишь в течение огра-
ниченного промежутка времени (не более 14 час), так как после этого срока
фотосинтетическая активность клетки пропадает как при очень низких,
Фиг. 2. Выделение кислорода одиночной клеткой Gonyaulax
polyedra при различных интенсивностях света, измеренное через
различные промежутки времени после начала световой фазы (на
одной и той же клетке).
I — через 1 час или менее; II — через 1—3 час; III — через 3—4 час;
IV — через 101/2—11 час.
как и при очень высоких интенсивностях света. В присутствии антибиоти-
ков (пенициллина G и стрептомицина в концентрации 50 мг/л) длитель-
ность жизни клетки в респирометре не увеличивалась. Чтобы охватить
измерениями весь 24-часовой период, опыты начинали в разное время
суток. Получившаяся суммарная кривая (фиг. 3) соответствует одному
периоду ритма фотосинтетической активности. Такой же ритм был отме-
чен у одиночной клетки, выращенной при постоянном освещении светом
малой интенсивности (фиг. 4). Результаты наблюдений, представленные на
фиг. 2—4, показывают, что при помощи поплавкового микрореспирометра
удается обнаружить ритм фотосинтетической активности у отдельных
клеток.
В том случае, когда измерялось выделение кислорода клеткой, выра-
щиваемой при непрерывном освещении ярким светом (8500—10 500 лк),
никаких периодических изменений фотосинтетической активности обнару-
жено не было. Выделение кислорода клеткой на ярком свету было срав-
нимо с минимальными значениями этой величины для клеток, выращенных
в условиях чередования света и темноты. Клетка 4 (фиг. 5) разделилась
за 23 час до начала измерений. Таким образом, если бы ритм имел место,
то измерение приходилось бы на «дневную» фазу, т. е. фазу высокой актив-
ности фотосинтеза. Далее, по крайней мере часть измерений, выполненных
Время после начала светового периода , час
Фиг. 3. Ритм фотосинтетической активности (выделение кислоро-
да при насыщающей интенсивности света с поправкой на дыхание)
одиночной клетки Gonyaulax polyedra при чередовании света и тем-
ноты (СТ 12 : 12, начало светового периода соответствует нуле-
вому времени на оси абсцисс).
Каждая кривая соответствует измерениям с одной клеткой.
Время после начала светового периода,час
Фиг. 4. Ритм фотосинтетической активности в одиночной клетке
Gonyaulax polyedra, взятой из культуры, росшей при непрерывном!
слабом освещении (520 лк).
Нуль иа оси абсцисс соответствует субъективному рассвету.
244
Б. Суини
с клеткой 2, приходится на дневную фазу, так как эта клетка поделилась
между 24 и 31 час после начала измерений.
Таким образом, можно, по-видимому, считать твердо установленным,
что у Gonyaulax polyedra в условиях непрерывного освещения ярким светом
Фиг. 5. Фотосинтетическая активность в четырех изолированных
клетках Gonyaulax polyedra, взятых из культур, росших на непре-
рывном ярком свету (8000 лк).
Клетка 2 делилась через 24—31 час после нулевого момента времени, клетка
4 — за 23 час до нулевого момента времени.
ритмическое изменение активности фотосинтеза отсутствует и что исчезно-
вение на ярком свету видимых ритмов в популяциях клеток отражает истин-
ное поведение каждой клетки, а не потерю синхронности.
ЛИТЕРАТУРА
1. В u n n i ng Е., Untersuchungen uber die autonomen tagesperiodischen Bewegun-
gen der Primarblatter von Phaseolus multiflorus, Jb. wiss. Bot., 75, 439—489,
1931.
2. Bruce V. G., Pittendrigh C. S., Temperature independence in a unicel-
lular «clock», Proc. Nat. Acad. Sci. U. S., 42, 676—682, 1956.
3. W i 1 k i n s M. B., An endogenous rhythm in the rate of carbon dioxide output
of Bryophyllum. I. Some preliminary experiments, J. Exper. Bot., 10, 377—390,
1959.
4. В e n t 1 e у E. W., Gunn D. L., E w e r D. W., The biology and behaviour
of Ptinus tectus Boie (Coleptera, Ptinidae), a test of stored products.
1. The daily rhythm of locomotory activity, especially in relation to light and
temperature, J. Exper. Biol., 18, 182—195, 1941.
5. Wassermann L., Die Auslosung endogentagesperiodischer Vorgange bei
Pflanzen durch einmalige Reize, Planta, 53, 647—669, 1959.
6. Sweeney В. M., Hastings J. W., Characteristics of the diurnal rhythm
of luminescence in Gonyaulax polyedra, J. Cell. Comp. Physiol., 49, 115—128,
1957.
7. Hastings J. W., Sweeney В. M., A persistent diurnal rhythm of lumines-
cence in Gonyaulax polyedra, Biol. Bull., 115, 440—458, 1958.
Ритм фотосинтеза в одиночных клетках
245
8. Sweeney В. М., Hastings J. W., Rhythmic cell division in populations
of Gonyaulax polyedra, J. Protozool., 5, 217—224, 1958.
9. H a s t i n g s J. W., Astrachan L., A diurnal rhythm of photosynthesis,
Fed. Prod., 18, 65, 1959.
10. S c h о 1 a n d e r P. F., С 1 a f f C. L., S v e i n s s о n S. L., Respiratory studies
of single cells, I. Methods. Biol. Bull., 102, 157—177, 1952.
11. Scholander P. F., Leivestad H., S u n d n e s G., Cycling in the
oxygen consumption of cleaving eggs, Exper. Cell. Res., 15, 505—511, 1958.
12. Hastings J. W., Unicellular clock, Ann. Rev. Microbiol., 13, 297—309, 1959.
ОБСУЖДЕНИЕ ДОКЛАДА
Солбергер. В ходе обсуждения этого доклада возник еще один
интересный вопрос: могут ли быть связаны между собой разности фаз
и частоты? Разумеется, при измерении разностей фаз предполагают, что
частота остается постоянной. Однако не следует забывать, что две биологи-
ческие кривые никогда не бывают совершенно тождественны по форме
и что в результате за один период может произойти сдвиг по фазе между
этими кривыми. Если мы теперь предположим, что действие каких-либо
внешних факторов совмещает несовпадающие во времени кривые (синхро-
низация) и что эндогенные ритмы будут в среднем увеличивать разность
фаз, то мы можем воспользоваться этим, чтобы выяснить, как и когда
действуют эти внешние факторы.
Шмитт. Я полагаю, что многие из нас имеют ясное представление
о соотношении между терминами «сдвиг фазы» и «изменение частоты» при
описании ритмических процессов с несколько неправильной периодично-
стью, какими являются циркадные биологические ритмы. Но мне кажется
целесообразным более подробно рассмотреть это соотношение и подчерк-
нуть, что названные термины совершенно взаимозаменяемы и что выбор
того или другого из них определяется в первую очередь той математиче-
ской моделью колебаний, которую имеет в виду автор.
Если он рассматривает собственные или вынужденные колебания осцил-
лятора с постоянной частотой, проходящие через цепь, в которой они под-
вергаются задержке или изменению, то он будет, по-видимому, пользоваться
термином «сдвиг фазы». Если же автор считает, что колебания собственные
и автономные, но управляются или модулируются изменением внешних
параметров, то он будет, вероятно, употреблять термин «изменение час-
тоты».
Отметим, например, что стабильные синусоидальные колебания с час-
тотой 12 гц можно строго представить как колебания с частотой 10 гц и сдви-
гом фазы, постоянно возрастающим на 4л радиан, или на 720°, в 1 сек.
Подобным образом можно представить любой колебательный процесс, при
котором происходит повторяющееся изменение какой-либо величины —
возрастание и убывание между одними и теми же положительным и отри-
цательным экстремальными значениями — в виде чисто синусоидальной
волны, которая подвергается частотной модуляции или сдвигу фаз до тех
пор, пока от синусоиды не останется ничего, кроме максимальных значе-
ний. Конечно, фазовые или частотные изменения могут быть настолько
нерегулярными, что подобное представление становится только формаль-
ностью, однако оно возможно и правильно.
Как отметил в своем докладе д-р Клоттер, при анализе колебаний
важно различать два совершенно различных случая употребления слова
246 Б. Суини
«фаза». При описании движения единичного вектора относительно окруж-
ности в обычной математической модели гармонического осциллятора
«фаза» — это постоянно возрастающая величина, которая за каждый цикл
увеличивается на 2л радиан, или на 360°. Фаза системы, т. е. то, что имеют
в виду большинство биологов, есть отклонение вектора, описывающего
систему в данный момент времени, от этого исходного вектора. Хотя фаза
системы и сдвиги фазы могут быть выражены в единицах времени, а не
в угловых единицах, при этом всегда следует указывать, какому периоду
или частоте соответствует данный сдвиг, иначе фаза будет неопределен-
ной. Обычно не имеет смысла выяснять, чем вызван данный сдвиг — изме-
нением частоты или фазы, однако при сопоставлении экспериментальных
данных с той или иной математической или биофизической моделью этот
вопрос совершенно неизбежен.
Ч. Э Р Е Т
Спектры действия и метаболизм
нуклеиновых кислот в клетках,
способных к циркадной ритмичности
о
По своей способности к циркадной ритмической деятельности однокле-
точные организмы поразительно похожи на животных и высшие растения.
Это функциональное сходство, особенно ярко проявляющееся при изучении
Euglena [1, 2], Oedogonium [3], Gonyaulax [4], Neurospora [5] и Parame-
cium [6, 7], привело к созданию рабочей гипотезы, в основе которой лежит
мысль о том, что структурный механизм, ответственный за циркадную
ритмичность, находится внутри живой клетки. В развитие этой мысли было
высказано предположение, что циркадный механизм является существенной
частью организации всех «двухоболочечных» (two-enveloped) клеток, имею-
щих ограниченное от цитоплазмы ядро (одна оболочка — мембрана клетки,
другая оболочка — мембрана ядра). На более низких уровнях организации
(«однооболочечные» клетки без обособленного ядра — бактерии, актиноми-
цеты или молекулярные системы [8]) такой способности обнаружено не
было.
На этой основе во многих лабораториях ведется описательное изуче-
ние множества различных организмов; вместе с тем изучение клеточных
популяций на более сложном аналитическом уровне с использованием
физических и химических методов еще только начинается. Однако нет
никаких сомнений, что окончательное выяснение природы ритмической
деятельности будет достигнуто лишь на основе таких исследований; неко-
торые предварительные результаты, полученные к настоящему времени,
представлены в этой статье.
АНАЛИЗ СПЕКТРОВ ДЕЙСТВИЯ
В идеально простой системе спектр действия определенной реакции
непосредственно связан со спектром поглощения первичного фоторецеп-
тора. В живых организмах это осуществляется редко, так как существует
множество пигментов, поглощающих свет в сходных областях спектра.
Тем не менее чрезвычайно высокая эффективность света в индуцировании
сдвига фазы позволяет предположить, что изучение спектров действия
сдвига фазы циркадных ритмов имеет существенное значение для понимания
внутриклеточного механизма ритмической активности. У большинства
высших организмов свет влияет не непосредственно на фазу ритма
248
Ч. Эр e tn
клеточных часов, а воздействует на сетчатку глаза и высокоорганизованные
ткани и системы органов типа центральной нервной системы. По этой при-
чине исследование спектров действия на высших организмах, таких, как
млекопитающие, малоэффективно для выяснения клеточных механизмов
циркадной ритмичности. Вместе с тем сравнение спектров действия, полу-
ченных на культурах тканей (тщательно освобожденных от посторонних
пигментов) высших растений и животных при изучении различных проявле-
ний циркадной ритмичности, должно оказаться очень полезным. С этой
точки зрения интерес представляют лишь два исследования спектров дей-
ствия сдвига фазы у микроорганизмов. Обе эти работы были выполнены
на большом биологическом спектрографе, схема которого показана на
фиг. 1 [9].
Фиг. 1. Схема большого биологического спектрографа, используемого в Аргонне»
для измерения спектров действия, показанных на фиг. 3 и 6 [9].
В этом приборе с помощью системы кварцевых линз свет от мощной
угольной дуги (14 кет) направляется на щель высотой 12,7 см. Пройдя
щель, пучок света попадает на коллимационное зеркало диаметром 48,2 см,
а затем на отражающую дифракционную решетку размером 20,3 х 24,4 см„
15 000 штрихов на 2,54 см. Дифракционный спектр фокусируется на рас-
стоянии в 16,2 м от зеркала. Высота спектра равна 21,6 см, расстояние
между далекой ультрафиолетовой областью (220 jvqut) и ближней инфракрас-
ной (800 лщ) — 6,096 м, линейная дисперсия всюду приблизительно одина-
кова и равна 1 к/мм.
Чтобы изменять по желанию условия облучения в эксперименталь-
ной камере, перед фокальной кривой расположены специально изготовлен-
ные линзы Френеля и нейтральные светофильтры.
Гастингс и Суини [10] исследовали эффективность различных длин
волн при индукции сдвига фазы ритма люминесценции в морской водо-
росли Gonyaulax polyedra. Пробирки с культурами располагали за фокаль-
ной кривой и облучали с помощью зеркал, поставленных под углом 45°.
После 6 час пребывания в темноте в середине темнового периода популяции
клеток подвергали 3-часовому воздействию света.
На фиг. 2 представлены результаты опытов, в которых определяли
влияние светового воздействия на время появления следующего макси-
мума люминесценции. Спектр действия сдвига фазы рассчитывали, опре-
деляя относительную эффективность разных длин волн при одинаковом
числе квантов в падающем пучке (фиг. 3). Имеется довольно близкое, хотя
и неполное, сходство между спектром действия и спектром поглощения
метанольных экстрактов этого организма [11], особенно хлорофилла а
(фиг. 4).
В нашей работе [12] было исследовано влияние света различной длины
волны на сдвиг фазы ритма способности к конъюгации в лишенном хлореллы
Спектры действия и метаболизм нуклеиновых кислот
249
клоне Paramecium bursaria (разновидность I, тип конъюгации D). Облу-
чаемые культуры в кюветах шириной 10 мм (что соответствует участку
спектра шириной 1 жц) находились прямо на фокальной кривой. После
81/2 час пребывания в темноте в конце темновой фазы популяции клеток
подвергали световому воздействию в течение 45 мин.
Общая картина влияния света на способность к конъюгации Paramecium
bursaria показана на фиг. 5. Воздействию монохроматическим светом во
время темнового периода предшествовали по крайней мере два цикла,
в которых длительность световой фазы равнялась 10 час, а интенсивность
излучения лампы дневного света составляла 210 лк. После воздействия
монохроматическим светом популяции клеток снова помещали в темноту
Время ,час
Фиг. 2. Влияние светового воздействия в темновой фазе на вре-
мя появления следующего максимума люминесценции Gonyaulax
polyedra [10].
Сдвиг фазы растет с увеличением дозы облучения белым светом (кривые I — V;
кривая / соответствует дозе, равной 0). Остальные кривые были получены на
спектрографе при действии света разной длины волны (указана в мц на
кривых).
на 24 час. Затем их смешивали с клетками комплементарного типа конъю-
гации и оставляли на 3 час в темноте; в это время происходила агглютина-
ция и конъюгация клеток. По истечении этого промежутка времени клетки
убивали и фиксировали в 5-процентной трихлоруксусной кислоте; число
конъюгантов подсчитывали позднее.
Необлученные контрольные клетки или клетки, на которые воздей-
ствовали неэффективными длинами волн, почти не конъюгировали в момент
времени, выбранный для смешивания (за несколько часов до наступления
реактивной фазы). В клетках, на которые воздействовали эффективными
длинами волн, фаза ритма сдвигалась таким образом, что реактивная фаза
конъюгации наступала раньше, чем в контроле, и число конъюгантов было
значительно больше; это число зависело от длины волны и дозы приме-
нявшегося облучения.
На фиг. 6 показаны результаты трех таких экспериментов и изобра-
жена связь между длиной волны и величиной энергии световых воздей-
ствий, при которой число конъюгантов существенно увеличивается по срав-
нению с их контрольным значением в каждом опыте.
6
Фиг. 3. Спектр действия сдвига фазы у Gonyaulax, подсчитанный
на основе относительной эффективности квантов разных длин волн
при условии одинакового количества падающих квантов [10].
Фиг. 4. Спектры поглощения метанольных экстрактов gonyaulax
polyedra [11].
I — общее содержание пигментов; II — хлорофилл а; III — хлорофилл с;
IV — общее содержание каротиноидов; V — перидинин.
Начальные
Воздействие _
Чередование
10час свет
/4 час темнота/
Эффект
Замечания
Максимум реакции
в середине светово-
го периода
Эндогенныи ритм
(период 23 часа)
сохраняется в
темноте
Амплитуда
уменьшается при 29°
увеличивается при 17°;
частота
не меняется
Беспорядочные
частоты; низкая
амплитуда
Короткие
Свет во время
ранней реактив-
Амплитуда
уменьшается;
-10-часовой
реактивный период
Увеличение
амплитуды
Уменьшение
амплитуды
Опережение
по фазе
Свет в сере-
дине фазы Л\ /X
восстанов- / z IV \
. ления / / \|/\ '
Сдвиг фазы пред-
сказать нельзя :может
быть задержка фазы,
опережение по фазе или
фаза не изменяется
вовсе
Свет в начале
Задержка
фазы
Фиг. 5. Действие света на ритм способности к конъюгации у клеток Paramecium
bursaria, лишенных хлореллы.
252
Ч. Э р е tn
Поскольку на графике откладывается просто величина энергии (а не
ее обратное значение), наиболее эффективным длинам волн соответствуют
минимумы на кривой спектра действия (т. е. точки, соответствующие наи-
меньшему количеству энергии, вызывающей данный сдвиг фазы)
В то время как в величинах абсолютной энергии, вызывающих сдвиг
фаз в отдельных популяциях, наблюдается значительный разброс, резуль-
таты опытов по определению эффективности различных длин волн хорошо
согласуются между собой. Наиболее эффективны красная, фиолетовая
и близкая ультрафиолетовая области спектра.
Фиг. 6. Спектры действия сдвига фазы ритма способности
к конъюгации у клеток Paramecium bursaria, лишенных хлореллы.
Чтобы число конъюгантов превышало их число в контроле, необходима
либо большая (Д), либо меньшая величина энергии (V), чем в опыте. Черные
и белые кружки обозначают соответствующие значения энергии [12].
У Gonyaulax и Paramecium далекая красная область спектра не инду-
цирует сдвиг фазы ритма и не восстанавливает первоначальную фазу, сдви-
нутую предварительно красным светом [13]. Спектр действия, полученный
с помощью этой методики, имеет слишком маленькое разрешение, чтобы
с ним можно было сопоставить какую-то определенную группу пигментов
(см., однако, [14, 15]).
Более интересны в смысле выяснения механизмов сдвига фазы резуль-
таты, полученные при исследовании действия далекой ультрафиолетовой
области спектра на Paramecium bursaria (фиг. 7). Сдвиг фазы в этом случае
зависит от дозы облучения и фазы ритма; под действием видимого света
происходит фотореактивация. Эти данные, а также результаты, полученные
другими авторами [17], свидетельствуют о том, что в механизме сдвига
фазы, по-видимому, определенную роль играет метаболизм нуклеиновых
кислот. В связи с этим мы провели изотопные исследования метаболизма
нуклеиновых кислот.
Спектры действия и метаболизм нуклеиновых кислот
253
циркадные аспекты метаболизма
нуклеиновых кислот
Исследования Халберга и сотрудников [18] показали существование
заметной циркадной периодичности метаболизма ДНК и РНК в тканях
млекопитающих. Независимо от того, имеют ли эти наблюдения какое-либо
отношение к основному механизму циркадной периодичности, обычно счи-
тают, что эта периодичность метаболизма непосредственно связана с ритмом
деления клеток в исследуемых тканях. Вместе с тем в синхронно делящихся
популяциях бактерий не обнаружено никаких корреляций между делением
клеток и метаболизмом; концентрация РНК, ДНК, бёлка и ферментов
плавно изменяется по экспоненциальному закону, тогда как число клеток
изменяется скачками, т. е. изменение числа клеток в зависимости от вре-
мени описывается ступенчатой функцией [19].
Мы, работая на синхронно конъюгирующих неделящихся популяциях
клеток Paramecium, получили далеко не столь четкие результаты. При
экстрагировании хлорной кислотой мы получали две [20] или три [21]
фракции, содержащие все нуклеиновые кислоты клетки. В первой методике
•с помощью холодной хлорной кислоты в течение 8 час экстрагировали
кислотнорастворимую и РНК-фракции; оставшиеся нуклеиновые кислоты,
главным образом ДНК, извлекали при прогревании смеси при температуре
70° в течение 20 мин (фиг. 8). При измерении спектров поглощения холод-
ных экстрактов обнаружен сильный максимум при 250 jwjx. Методом хро-
матографии на бумаге показано присутствие гипоксантина и гуанина
в высоких концентрациях. При исследованиях с радиоактивной меткой
найбольшее количество С14 из меченого 8- С14-аденина оказалось в этой
‘фракции. Во фракции, оставшейся после извлечения нуклеиновых кислот,
определяли содержание белка при помощи реактива Фолина [22]. Радио-
активность этой фракции была незначительной. Все измерения радиоактив-
ности (С14) в экстрактах были проведены на сцинтилляционном спектро-
метре. На фиг. 9 показана динамика появления метки в экстрактах после
введения меченого 8-С14-аденина на протяжении темновой фазы после обыч-
ного 10-часового светового периода.
В параллельном опыте организмы были освещены (интенсивность света
1000 лк) в течение всей «темновой» фазы. В течение первых часов про-
исходит быстрое включение радиоактивной метки, затем наступает период
замедленного, приблизительно экспоненциального увеличения количества
включенного С14; освещение непрерывным светом оказывало очень слабое
влияние на первую стадию и совсем не влияло на вторую. В другом экспе-
рименте [23] радиоактивный изотоп углерода вводили в среду за день до
измерения активности (фиг. 10). В течение двух полных периодов цикла
свет — темнота измеряли каждые 3 час четыре одинаковых образца. На гра-
фике изображены относительная удельная активность для кислотнораство-
римой фракции (кривая /), активность, рассчитанная на единицу белковой
массы обрзца (II), и отношение общего, количества нуклеотидных и нуклео-
зидных производных (по поглощению при 250 ;ир.) к количеству белка
в образце (III).
Начальная сплошная и пунктирная части кривой относительной удель-
ной активности соответствуют быстрой и медленной экспоненциальной ста-
диям включения С14 (показанным на фиг. 9).
В течение двух периодов относительная удельная активность возра-
стает более чем в 3 раза; это увеличение почти полностью определяется
Число конъюгировавших особей
Число конъюгировавших особей
Фиг. 7. Индукция сдвига фазы у Paramecium bursaria под влиянием далекого ультрафиолета (Д) и фото-
реактивация под влиянием видимого света (5) [16]
Облучение видимым светом производили в течение 1 час через 15 мин после воздействия ультрафиолетом.
Продолжительность экстрагирования г час
Фиг. 8. Ход экстрагирования хлорной к слотой кислотнораствори-
мой фракции и фракции нуклеиновых кислот из Paramecia.
Фиг. 9. Появление меченого 8-С14-аденина в экстрактах, полу-
ченных из Paramecium с помощью хлорной кислоты, как функция
времени после начала нереактивной темновой фазы.
Одну из популяций (светлые кружки) освещали (»* 1000 лк) в течение всего
эксперимента.
Спектры действия и метаболизм нуклеиновых кислот
257
возрастанием количества включенного С14 и слабо зависит от уменьшения
величины знаменателя. Если считать, что процесс включения С14 описы-
вается непрерывной экспоненциальной функцией, по крайней мере 10 из
16 точек отклоняются от предполагаемой экспоненты больше, чем на вели-
чину стандартной ошибки. Видно, что наибольшие отклонения (отмечен-
ные стрелками) располагаются на М-образной кривой, которая хорошо
воспроизводится в течение двух периодов и наблюдается также при других
нижеприведенных значениях активности на единицу белка. В последнем
примере, несмотря на то что общая тенденция сохраняется, эксперимен-
тальные данные особенно трудно описать гипотетической экспоненциаль-
ной кривой.
Фиг. 10. Различные характеристики кислотнорастворимой фракции в неделящихся
клетках популяции Paramecium в зависимости от времени суток [23].
8-С14-Аденин добавляли ко всем образцам за день до опыта; вертикальные линии около каждой
точки соответствуют удвоенным стандартным ошибкам. / — относительная удельная активность
(имп/мин на 1 цз нуклеиновых кислот), II — активность, рассчитанная иа 1 мг белка; III — от-
ношение количества нуклеиновых кислот (в цз) к количеству белка (в мг).
Наиболее интересна кривая III, показывающая, как изменяется во
времени отношение фракции нуклеиновых кислот к содержанию белка.
При переходе от одного периода к другому эта величина почти не изме-
няется, но внутри каждого периода наблюдаются существенные колебания.
Время появления изломов совпадает со временем изменения относительной
удельной активности (стрелки) или общей активности фракции. Эти изломы,
несомненно, связаны с ранее замеченными аналогичными изменениями
в контрольных экспериментах, в которых применяли световые воздействия
перед наступлением середины темнового периода. В этом случае количество
включенного изотопа увеличивалось и кривая активности имела N-образ-
ную форму вместо М-образной; увеличение активности соответствовало
увеличению поглощения света в кислотнорастворимой фракции (см. фиг. 6
в нашей работе [7]).
В последующих экспериментах [24] мы сосредоточили внимание на
изучении метаболизма во время нереактивной фазы у культур, находящихся
в темноте. В этих опытах мы работали по несколько видоизмененной мето-
дике [21], с помощью которой выделяли три фракции: I — кислотнораство-
258
Ч. Э р е т
римая (экстракция 5-процентной трихлоруксусной кислотой); II — РНК
(экстракция холодной хлорной кислотой) и III —ДНК (экстракция горя-
чей хлорной кислотой). На фиг. 11 и 12 показаны результаты опытов
с 8-С14-аденином и 8-С14-уридином соответственно. В каждом случае серия
из четырех контрольных проб, находившихся в темноте в течение всего
эксперимента вплоть до анализа, сравнивалась с другой серией проб, на
которые воздействовали светом в промежутки времени, отмеченные белыми
прямоугольниками под осью абсцисс. Следует заметить, что в каждом
опыте последние четыре серии проб облучали за день до анализа; режим
световых воздействий был таким же, как на фиг. 5, условие 8, и совпадал
с режимом, применявшимся в исследованиях спектра действия сдвига фазы.
В постановке этих опытов имеется два существенных отличия. В опыте,
изображенном на фиг. 11, радиоактивный углерод добавляли к каждому
Фиг 11. Соотношение характеристик кислотнорастворимой и РНК-фракций
в неделящихся клетках Paramecium в зависимости от времени суток [24].
К каждому образцу добавляли 8-С14-аденин точно за 3 час до измерений. Обозначения те же,
что на фиг. 10.
образцу за 3 час до анализа активности, а во втором опыте (фиг. 12) радио-
активный изотоп добавляли более чем за 61 час до анализа первого образца.
Наиболее'интересный результат, полученный в обоих экспериментах, состо-
ит в том, что на следующий день после светового воздействия во фракции
РНК наблюдалась слабая, но постоянная и заметная разница между тем-
новыми и освещенными сериями проб. Активность темновых серий не только
Спектры действия и метаболизм нуклеиновых кислот
259
немного превосходила по величине активность освещенных проб, но также
несколько отличалась от них по фазе. В опытах с С14-уридином заслужи-
вает внимания постоянство относительной удельной активности во
фракции ДНК и относительное постоянство (слабое уменьшение) в кислотно-
ез
$
Э
£
а
в
Время после последнего светового периода, час
Фиг. 12. Соотношение характеристик кислотнорастворимой, РНК- и ДНК-фракций
в неделящихся клетках Paramecium в зависимости от времени суток [24].
Ко всем образцам добавляли С14-уридин более чем за 61 час до первого измерения. Обозначения
те же, что на фиг. 1Q.
растворимой фракции; тем не менее в последнем случае отношение нуклеи-
новой кислоты к белку почти точно соответствует более ранним наблюде-
ниям. На основании этих данных можно предположить, что метаболиты,
участвующие в цепи реакций до уридина, почти не влияют на светочувстви-
тельные изменения кислотнорастворимой фракции. Остаточные изменения
в кислотнорастворимой фракции (см. фиг. 11), хотя и менее ярко выражены,
260
Ч. Эрет
приблизительно совпадают с изменениями в опытах, в которых изотоп
вводили на много часов раньше.
В культурах, находившихся в условиях непрерывной темноты, чере-
дования света и темноты и в условиях отдельных световых воздействий не
наблюдалось значительных колебаний в содержании РНК, ДНК, белка,
кислотнорастворимой фракции и интенсивности их обновления, судя по
предшественникам нуклеиновых кислот — аденину и уридину. Вместе
с тем мы наблюдали слабые, но статистически достоверные изменения, осо-
бенно во фракции, содержащей нуклеотидные коферменты и растворимую
РНК, в день светового воздействия и во фракции РНК на следующий день
после светового воздействия. Наблюдается определенное совпадение вре-
мени наступления этих изменений с циркадной периодичностью.
В будущем мы предполагаем несколько изменить наш подход к иссле-
дуемым явлениям: во-первых, основное внимание будет обращено на роль
биохимических процессов, протекающих в отдельных клеточных органел-
лах (ядро, реснички, митохондрии, микросомы), а не в целой клетке, как
было до сих пор; во-вторых, с помощью хроматографии на колонках мы
попытаемся получить более точные сведения о молекулах, имеющих непо-
средственное отношение к механизмам периодичности. Во всяком случае,
необходима разработка новых методов сохранения и сбора больших попу-
ляций клеток, обладающих нужными физиологическими показателями.
ЛИТЕРАТУРА
1. Pohl R., Tagesrhythmus im phototaktischen Verhalten der Euglena gracilis.
Z. Naturforsch., 3B, 367—374 (1948).
2. Bruce V. G., Pittendrigh C. S., Temperature independence in a unicellu-
lar «clock», Proc. Natl. Acad. Sci., 42, 676—682 (1956).
3. Buhnemann F., Das endodiurnale System der Oedogoniumzelle, III. Uber den
Temperatureinfluss, Z. Naturforsch., 10B, 305—310 (1955).
4 Hastings J. W., Sweeney В. M., The Gonyaulax clock, p. 567—584.
Photoperiodism and Related Phenomena in Plants and Animals, ed. Withrow.
Washington, A. A. A. S. (1959).
5. Pittendrigh C. S., Bruce V. G., R о s e n s w e i g N.S.,R ub in M. L.,
A biological clock in Neurospora, Nature, 184, 169—170 (1959).
6. Ehret C. F., An analysis of the role of electromagnetic radiations in Paramecium
bursaria, Physiol. Zool., 26, 274—300 (1953).
7. E h r e t C. F., Photobiology and biochemistry of circadian rhythms in non-
photosynthesizing cells, Fed. Proc., 18, 1232 —1240 (1959).
8. Ehret C. F., Organelle systems and biological organisation, Science, 132, in press
(1960).
9. Monk G. S., E h r e t C. F., Design and performance of a biological spectrograph,
Radiation Research, 5, 88—106 (1956).
10. Hastings J. W., Sweeney В. M., The action spectrum for shifting the
phase of the rhythm of luminescence in Gonyaulax polyedra, J. Gen. Physiol.,
43, 697—706 (1960).
11. Sweeney В. M., H axo F. T., Hastings J. W., Action spectra for two
effects of light on luminescence in Gonyaulax polyedra, J. Gen. Physiol., 43, 285—
299 (1959).
12 Ehret C. F., Kokaisl G., Ellwanger P., The action spectrum for
shifting the phase of the rhythm of mating capacity in Paramecium bursaria (in
preparation) (1960).
Спектры действия и метаболизм нуклеиновых кислот
261
13. Н е n d г i ск s S. В., Cold Spring Harbor Symp. on Quant. Biol., Vol. 25
(1960).
14 . P a г к e r M. W., Hendricks S. B., Borthwick H. A., Jenner C. E.r
Photoperiodic responses of plants and animals, Nature, 169, 242—243 (1952).
15. Withrow R. B., A kinetic analysis of photoperiodism, p. 439—471. Photoperio-
dism and Related Phenomena in Plants and Animals, ed. Withrow. Washington,
A. A. A. S. (1959).
16. E h r e t C. F., Induction of phase shift in cellular rhytmicity by far ultraviolet
and its restoration by visible radiant energy, p. 541—550. Photoperiodism and
Related Phenomena in Plants and Animals, ed. Withrow. Washington, A. A. A. S.
(1959).
17. J agger J., Photoreactivation, Bacteriol. Revs., 22, 99—142 (1958).
18. H a 1 b e r g F., H a 1 b e r g E., В a r n u m C., Bittner J., Physiologic
24-hour periodicity in human beings and mice, the lighting regimen, and daily
routine, p. 803—878. Photoperiodism and Related Phenomena in Plants
and Animals, ed. Withrow. Washington, A. A. A. S. (1959).
19. A b b о F. E., P a r d ее A. B., Synthesis of macromolecules in synchronously
dividing bacteria, Biochim. Biophys. Acta, 39, 478—485 (1960).
20. О g u r M., R osen G., The nucleic acids of plant tissues. I. The extraction and
estimation of desoxypentose nucleic acid and pentose nucleic acid, Arch. Biochem.,
25, 262—276 (1950).
21. Minagawa T., Wagner B., Strauss B., The nucleic acid content
of Neurospora crassa, Arch. Biochem. Biophys., 80, 442—445 (1959).
22. Lowry О. H., Rosebrough N. J., Farr A. L., Randall R. J.,
Protein measurement with the Folin phenol reagent, J. Biol. Chem., 193, 265—
275 (1951).
23. Ehret C. F.,M at h er R., Circadian rhythmicity in the incorporation of nucleic
acid precursors into Paramecium bursaria, J. Protozool., 6, Suppl. 1, 18 (1959).
24. E h r e t C. F., Kokaisl G., Unpublished observations (1960).
ОБСУЖДЕНИЕ ДОКЛАДА
Бюннинг. В своих исследованиях д-р Эрет стремился выяснить
механизм действия света на фазу ритма. Я считаю, что влияние света на
периодичность включает и другую проблему. По крайней мере в Phaseolus
сдвиг фазы может быть вызван более широким спектром длин волн, чем
индукция ритма в растениях, растущих в непрерывной темноте: ритм воз-
никает только под действием красного света (далекая красная область уже
угнетает действие красного света), тогда как сдвиг фазы вызывают голу-
бая, зеленая и далекая красная области спектра. Кроме того, можно упо-
мянуть, что колебания в условиях непрерывного освещения длятся дольше
и, более того, период их больше, чем в условиях непрерывного освещения.
Эрет. Я могу только повторить, что, применяя метод спектров дей-
ствия к проблеме физического механизма циркадной ритмичности, мы для
облегчения анализа результатов проводили сравнительные эксперименты
на материале, освобожденном насколько возможно от затемняющих кар-
тину особенностей объекта. В случае Phaseolus или большинства покрыто-
семенных было бы желательно получить лишенную пластид или по крайней
мере лиш иную хлорофилла культуру ткани, на которой можно изме-
рить циркадную активность и получать поддающиеся сравнению спектры
действия.
262
Ч. Эр etn
Конечно, я не отрицаю практического значения спектров действия,
полученных на нормальном неповрежденном материале, однако неразумно
увеличивать сложность интерпретации реакций осцилляторов на свет, оста-
вляя в клетке очевидно несущественные (для временной регуляции) фото-
синтетически-активные пигменты.
С у и ни. Меня особенно заинтересовали полученные вами данные
о том, что ультрафиолет вызывает сдвиг фазы ритма у Paramecium, причем
в отличие от видимого света облучение ультрафиолетом всегда вызывает
задержку фазы независимо от стадии цикла, на которой производилось
облучение. У Gonyaulax ультрафиолет в области 250 жр также сдвигает фазу
ритма люминесценции и деления клеток. Величина сдвига фазы зависит
от стадии цикла, на которой производилось световое воздействие, но в про-
тивоположность действию видимого света всегда происходит опережение
по фазе. Видимый свет может вызвать опережение по фазе или задержку
фазы в зависимости от стадии цикла, на которой производили световое воз-
действие.
Э р е т. На основании результатов, полученных на Paramecium и Gony-
aulax, мы можем заключить, что видимый свет вызывает как задержку
фазы, так и опережение по фазе, тогда как лучистая энергия в далекой
ультрафиолетовой области спектра действует как однонаправленный опре-
делитель времени, или синхронизатор. Кроме того, интересно, что види-
мый свет вызывает сдвиг фазы лишь при длительном воздействии (30 мин),
в то время как продолжительность облучения ультрафиолетом, необходимая
для индукции сдвига фазы, менее 1 мин. Наконец, из того, что д-р Суини
рассказывала мне, следует, что сдвиг фазы ритма Gonyaulax, индуцируемый
ультрафиолетом, обладает свойством фотовосстановления, так же как
и у Paramecium. Эти три отличия достаточно велики, чтобы считать дей-
ствие ультрафиолета в качестве определителя времени отличным от действия
видимого света.
МОДЕЛИ БИОЛОГИЧЕСКИХ РИТМОВ
К. ПИТТЕНДРАЯ
Циркадные ритмы и циркадная
организация живых систем
о
Настоящая статья написана под влиянием твердых убеждений; это,
впрочем, не означает полной уверенности в правильности предлагаемой
теоретической схемы. Просто я считаю, что на данном этапе изучения «суточ-
ных» ритмов построение смелых, логически стройных теорий абсолютно
необходимо. Огромное число наблюдений над совершенно различными
организмами — от одноклеточных до африканских фиалок и далее до чело-
века — не столь уже великое благо и скорее запутывает нас, тем более что
многие результаты кажутся нам крайне удивительными. Последнее таит
в себе еще и дополнительную опасность, которая довольно часто угрожает
биологам: находясь в плену удивительных фактов, они ведут поиски даль-
нейших деталей вместо развития теории. Для успешного анализа циркад-
ных ритмов мы должны ясно понять, в чем заключаются те проблемы, кото-
рые нужно решить, или по крайней мере сформулировать их в том виде,
как мы их себе представляем. Только после этого можно искать дополни-
тельные сведения, подтверждающие или — увы! — опровергающие теорию.
Любая подробная теоретическая схема чаще всего живет недолго, но это
не может служить основанием для того, чтобы вообще избегать теоретиче-
ских построений. С моей точки зрения, из необъятного количества извест-
йых фактов только относительно небольшое их число необходимо для пони-
мания общих принципов; задача теории состоит не только в том, чтобы
наилучшим образом сформулировать эти принципы — это совсем не глав-
ная ее задача,— а в том, чтобы по возможности уменьшить ошибку при
интерпретации новых фактов и на их основе лучше уяснить упомянутые
выше общие принципы. Специалистам по прикладной математике и физике,
от которых мы ждем построения моделей и аналогов, не нужны все факты —
204
К. Питтендрай
они хотят знать только наиболее значительные из них. Вероятно, мне воз-
разят, что правильный выбор наиболее значительных фактов будет возмо-
жен только в будущем, когда все станет известно. Но ведь нельзя двигаться
дальше, не имея какого-то мнения по рассматриваемому вопросу в настоя-
щем! Таким образом, построение теории — особенно в не очень четко очер-
ченной области — зависит в основном от взглядов ее создателя: в чем, по
его мнению, заключается проблема, какие из наблюдений наиболее важны
и т. д. Короче говоря, теория должна служить орудием всех дальнейших ис-
следований. Во всяком случае, в таком духе написана эта статья: особое вни-
мание я уделяю тем фактам, которые мне кажутся наиболее значительными.
Все, что изложено в данной статье, я столько раз обсуждал с моим
коллегой В. Брюсом, что часто затрудняюсь сказать, кому из нас принад-
лежат те или иные идеи; по поводу некоторых идей я знаю точно, что они
принадлежат ему. Однако отсюда не следует, что он благосклонно относится
ко всем моим рискованным интерпретациям. Я также весьма обязан Э. По-
мингу и Д. Минис и моим ученикам, принимавшим участие в получении
используемых здесь экспериментальных результатов (д-ра Бэрчард, Робертс
и Менакер, а также Суэйд, Пламли, Вейсс, Тобин и Голден). Наконец,
я с удовольствием выражаю глубокую благодарность проф. Ашоффу и Бюн-
нингу, в лабораториях у которых я недавно провел несколько плодотвор-
ных месяцев после избрания меня членом Гуггенгеймовского общества.
Особо я должен поблагодарить м-ра Суэйда за разрешение воспроиз-
вести и обсудить здесь некоторые из его неопубликованных записей об
арктических млекопитающих; само собой разумеется, мое мнение относи-
тельно их значения ни к чему его не обязывает.
ЭМПИРИЧЕСКИ УСТАНОВЛЕННЫЕ ОБЩИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ
ЦИРКАДНЫХ РИТМОВ
Для краткости мы будем пользоваться следующими сокращениями:
СТ — условия чередования света и темноты; например, СТ 12:12 означает
попеременно 12 час на свету и 12 час в темноте; СС— непрерывное освещение;
ТТ — постоянная темнота; ЦР — циркадный ритм; т — период циркадного
ритма или ритма внешних изменений, измеряемый в часах; тСР — период
свободного ритма; Тсс — период свободного ритма при непрерывном осве-
щении и постоянной температуре; ттт — период свободного ритма в по-
стоянной темноте при постоянной температуре; ср — фаза ритма; Аср —
сдвиг фазы.
Ссылки даются на те работы, которые могут служить наиболее удобным
руководством для ориентировки в многочисленных литературных данных,
и не служат указаниями на приоритет или на особую важность этих работ.
Перечислим наиболее важные общие закономерности, установленные
в результате экспериментального изучения циркадных ритмов.
I. Под ЦР понимаются такие биологические ритмы, у которых тСР
приблизительно равен периоду вращения Земли вокруг своей оси
[3, 4, 44, 46].
Это определение служит главным, но далеко не единственным
аргументом в пользу утверждения III (см. ниже).
II. ЦР неизменно существуют во всех живых системах 14, 47].
Это утверждение относится, с одной стороны, к систематике орга-
низмов, а с другой — оно имеет физиологический смысл и относится
Циркадные ритмы и циркадная организация живых систем
265
к различным физиологическим функциям. Если в литературе чаще
всего обсуждаются, скажем, двигательные ритмы или ритмы дви-
жения листьев, то это отражает только сравнительную легкость,
с которой за этими «поверхностными» явлениями можно наблюдать;
ритмы синтеза ДНК, например, наблюдать гораздо труднее.
III. ЦР эндогенны по своей природе [3, 44, 47 и др.].
Это положение уже получило всеобщее признание; но проф.
Браун и его сотрудники [48] возражают против того, чтобы формули-
ровать его в такой форме, и настаивают на другой, более сложной
формулировке (см. [48, 54], а также выступление проф. Брауна
в обсуждении доклада).
IV. Обычно (если не всегда) ЦР представляют собой устойчивые коле-
бания [4, 47, 51].
Для животных это положение не вызывает сомнений; у растений
иногда наблюдается затухание колебаний, но еще не совсем ясно,
связано ли это с реальным затуханием ритмов отдельных клеток
или просто с нарушением их синхронизации, что ведет к апериодич-
ности ритмов на уровне всего организма [51].
V. ЦР являются врожденным свойством организма [1,4, 47, 49, 50].
Они не возникают как результат непосредственного воздействия
изменений среды на организм в течение его жизни, как это пред-
полагали раньше, причем даже в сравнительно недавних работах.
В апериодических системах, выращенных из яйца или семени в усло-
виях постоянного освещения, периодичность возникает под действием
однократного (непериодического) раздражения; например, для
Drosophila достаточно вспышки света длительностью 1/2000 сек, [1,55].
VI. ЦР протекают независимо на разных уровнях организации (как
на уровне клетки, так и на уровне организма в целом) [4, 47].
Поиски ритмов на уровнях организации ниже клетки пока еще
недостаточны, чтобы определенно сказать, существуют ли автоном-
ные ритмы и на этих уровнях.
VII. тСР характеризуются поразительно малыми отклонениями от
среднего значения при свободном течении ритмов; механизм, лежащий
в основе ЦР, отличается поразительной точностью [4, 32, 52].
Обычно стандартные отклонения циркадных периодов составляют
менее 2 мин в день.
VIII. Величина тСР для каждого организма фиксирована не строго
и под действием внешних факторов или самопроизвольно меняется в неко-
торых пределах [4, 32, 52 и т. д.].
Возможно (но окончательно это еще не установлено), что пределы
изменений тСР являются характерной для данного организма вели-
чиной.
IX. Существуют заметные межвидовые различия в отношении области
реализуемых Тср [46].
Полагают, что для ночных видов тСР (измеряемые как ттт)
обычно меньше 24 час, для дневных — больше 24 час. Для некоторых
видов область изменения тСР лежит по обе стороны от 24-часовой
отметки (см. фиг. 7).
266
К- Питтендрай
X. На величине тСР могут сказываться остаточные эффекты режима,
предшествовавшего исследуемым свободным колебаниям.
Наблюдения, на которых основано это утверждение, описаны
ниже.
XI. тСР настолько слабо зависит от температуры, что можно говорить
о температурной независимости как о характерном свойстве ритмов [4, 53].
Измеренные до сих пор значения Q10 заполняют область при-
мерно от 0,9 до 1,2. Отсюда можно заключить, что такого рода темпе-
ратурная независимость связана с компенсационными эффектами,
свойственными многокомпонентным системам; компенсация темпера-
турных эффектов воспринимается многими исследователями как
указание на то, что функционально ритмы выполняют роль «часов»
[4] (но см. также [48] и [54]).
XII. тСР зависит от интенсивности освещения [44, 46].
Имеются данные в пользу еще более широкого обобщения, которое
я бы назвал правилом Ашоффа. Его можно записать так: тсс > Ттт
для ночных животных и Тсс < т'тт Для дневных.
XIII. Под влиянием некоторого ограниченного класса периодических
изменений во внешней среде ЦР могут затягиваться по частоте и фазе [4,
9, 46].
Свет и температура являются главными затягивающими аген-
тами, для некоторых видов единственными (Ашофф употребляет для
них термин Zeitgeber — датчик времени) [46]. Имеется много допол-
нительных обобщений, касающихся области затягивания (более
узкой для более сложных организмов) и т. д., что подробно изложено
в статье Брюса [9]. Автор настоящей статьи считает неубедитель-
ными (но заслуживающими упоминания) доводы проф. Брауна [48]
в пользу существования пока неизвестных геофизических циклов,
которые организмы могут «чувствовать»; правда, следует отметить,
что этими циклами можно объяснить факты, указанные в пунк-
тах VII и XI.
XIV. Фаза свободных ЦР может быть сдвинута однократными возму-
щениями светового и (или) температурного режима [3, 4, 32, 33, 53].
Характер сдвига фазы зависит от интенсивности и продолжитель-
ности возмущающего сигнала, но наиболее существенное значение
имеет фаза ЦР, соответствующая моменту возмущения.
XV. Новому устойчивому состоянию всегда предшествуют переходные
явления [3, 4, 7].
Это справедливо и в том случае, когда прежнее устойчивое сос-
тояние было нарушено однократным возмущением, и тогда, когда А<р
возникает под действием затягивающего цикла.
XVI. ЦР, насколько нам известно, поразительно устойчивы к химиче-
ским воздействиям [40].
Но см. [41] и обсуждение доклада.
Обсуждение систематизированного выше материала можно вести с двух
позиций. С одной стороны, можно преимущественно обращать внимание
на функциональное значение и физиологические проявления этих мало зави-
сящих от температуры ритмов. Этого направления Брюс и я придержива-
лись в нескольких предыдущих работах [1—5]. С другой стороны, основ-
Циркадные ритмы и циркадная организация живых систем
267
ное внимание может быть обращено на существование суточных ритмов
в самых разнообразных организмах — как в одноклеточных, так и много-
клеточных, на их относительную независимость от внешней среды и, нако-
нец, на то, что для всех организмов ритмы являются их врожденным свой-
ством. Эти закономерности противоречат взглядам, по которым суточные
ритмы представляют собой только своеобразную реакцию на изменения
среды, ежедневно происходящие в течение суток, и относятся к вторичным
адаптационным эффектам, не затрагивающим основной физиологической
архитектуры организма.
В связи с перечисленными общими закономерностями складывается
совершенно иная картина: циркадные ритмы являются неотъемлемым свой-
ством живых систем и составляют основу их организации; любое отклоне-
ние от нормального хода ритма приводит к нарушениям в работе всего
организма. Это означает, что циркадные ритмы представляют одну из
основных проблем общей физиологии. Подобного типа проблемы имел
в виду Нидхэм [6], когда говорил, что «организация живых систем сама
по себе является проблемой и не может служить отправной точкой для
биологических исследований».
С таких же позиций написана данная статья. Изложение фактов,
свидетельствующих в пользу повсеместной циркадной организации, и опи-
сание ее различных признаков лучше всего начать с экспериментов, на
основании которых Брюс и я были вынуждены признать, что ритм вылета
взрослых особей Drosophila не может управляться каким-то одним физиоло-
гическим периодическим процессом.
ДВУХОСЦИЛЛЯТОРНАЯ МОДЕЛЬ РИТМОВ ВЫЛЕТА
У DROSOPHILA
В наших прежних работах [4, 7] было показано, что при однократном
возмущении (световым или температурным сигналом) свободного ритма
вылета Drosophila возникают переходные состояния, в которых интервалы
между пиками вылета отличны от интервалов, наблюдаемых в устойчивом
состоянии. Поразительные различия между световыми и температурными
переходными состояниями привели Брюса и меня к двухосцилляторной
схеме ритмов Drosophila', в дальнейшем с ее помощью удалось объяснить
многие другие свойства, описываемой системы.
Существенной чертой модели является предположение о том, что
физиологический процесс, непосредственно управляющий вылетом, 1) сам
по себе имеет независимый колебательный характер (в нашей работе 1959 г.
эти колебания названы В-колебаниями) и 2) отличается от чувствительных
к свету Л-колебаний, определяющих ход ритма всего организма. Нечув-
ствительные к свету В-колебания являются в некотором смысле перифери-
ческими; они связаны по частоте и фазе с Л-колебаниями, и, вероятно,
этой связью объясняется компенсация температурных эффектов, характер-
ная для всей системы и обеспечиваемая Л-колебаниями. Насколько можно
судить по переходным эффектам и другим явлениям, отраженным в модели,
В-колебания чувствительны к температуре; эта чувствительность, с одной
стороны, обеспечивается связью с Л-колебаниями, но может проявляться
и независимо от Л-колебаний, о чем свидетельствует непосредственное затя-
гивание В-колебаний температурными циклами (фиг. 1 и 2). На основании
тех же данных можно говорить о существовании довольно слабой обратной
связи от В-колебаний к Л-колебаниям.
Фиг. 1. Вызванные световыми и температурными возмущениями переходные про-
цессы, наблюдаемые в ритме вылета Drosophila pseudoobscura [7].
Каждый горизонтальный ряд точек представляет середины пиков вылета отдельных культур Droso-
phila. Культуры ранее находились в условиях СТ12 : 12; отсчет времени (одинаковый для всех
трех случаев) ведется от последнего рассвета указанного СТ-цнкла.
А — температурные возмущения; 7 культур, начиная с 24 час., все время находились в постоянной
темноте; в момент времени, определяемый диагональной линией а — а, температура для каждой
культуры понижалась от 26° (температура, при которой культуры были выращены) до 16°; моменты
понижения температуры для всех культур располагаются между 24-м и 48-м часом. Диагональ-
ная линия между 96-м и 120-м часом не указывает, на вторую серию сигналов и воспроизводит
лишь фазы сигналов, имевших место 72 час ранее. Вертикальные линии проведены через каждые
24 час после последнего «рассвета». Наиболее интересны результаты для 2-й и 3-й культур. Между
48-м и 72-м часом пики отсутствуют, з'ато через 72 час величина пика в каждом случае вдвое больше
среднего обычного размера, что указывает на объединение двух пиков, включая «пропущенный».
Этот «пропущенный» пнк испытывает скачок фазы, который проанализирован на фиг. 6 и обсуж-
дается в тексте.
Б — световые возмущения; каждая из тринадцати культур подвергалась действию однократного
12-часового светового сигнала, время которого отмечено диагональной линией (между 24-м и
48-м часом); все остальное время культуры находились в полной темноте. Как н в А, вторая ди-
агональ (часы 96 — 120) дана для сравнения и не указывает на вторую серию сигналов. Отсутствие
результатов для периода после 120 час объясняется полным завершением к этому времени вылета
взрослых особей для всех культур. Заштрихованные участки в Л и Б облегчают сравнение конеч-
ных сдвигов фазы, вызванных температурными и световыми сигналами. Белые и черные стрелки
непосредственно указывают на существование задержек (замедленных переходных колебаний) и опе-
режений (ускоренных переходных колебаний) по фазе как для наблюдаемых (Б), так и для теоре-
тических (В) результатов.
В — форма вызванных светом переходных колебаний, рассчитанная на основе математической
двухосцилляторной модели [7].
Циркадные ритмы и циркадная организация живых систем 269
Переходные процессы отражают работу .8-осциллятора как при све-
товых, так и при температурных возмущениях. В случае светового возму-
щения фаза нового устойчивого состояния заметно отличается от фазы
прежнего устойчивого состояния и полностью определяется фазой колеба-
ния, предшествовавшего сигналу (фиг. 1); световой сигнал сдвигает фазу
Л-колебаний, а эти колебания задающего ритм осциллятора действуют на
фазу В-колебаний (фиг. 2). Переходные процессы, сопровождающие темпе-
ратурные возмущения, приводят к небольшому сдвигу фазы (—2 час),
причем этот сдвиг не имеет никакого отношения к фазе температурного
сигнала, вызвавшего переходные процессы (см. фиг. 1): понижение тем-
пературы воздействует на связь между В- и Л-колебаниями; некоторое
Фиг. 2. Схема, поясняющая истолкование ритмов вылета Drosophila на основании
двухосцилляторной модели.
А — устойчивое состояние в темноте при постоянной температуре; Б — переходные колебания,
вызванные понижением температуры от 26 до 16° в момент, отмеченный стрелкой; В — реакция на
12-часовой световой сигнал, начало которого отмечено стрелкой. Черные кружки соответствуют
серединам пиков вылета. Пилообразная•и квадратная форма А- и В-колебаний чисто условна.
Pl, Р% и т. д. — субъективные рассветы для каждой культуры, определяемые последним рассветом
предшествовавшего цикла СТ 12 ; 12 и соответствующие спадам Л-колебаний пилообразной
формы. Субъективные рассветы устойчивого состояния отмечены вертикальными линиями, идущими
через схему; это сделано для сравнения возмущенных и невозмущенных культур. Самые крайние
пики вылета определяют фазу устойчивого состояния для контрольной культуры (К) и культур,
возмущенных световыми (С) и температурными (Темп.) сигналами.
время наблюдается зависимость периода В-колебаний от температуры, но
она вновь исчезает, как только восстанавливается связь В-колебаний
с почти не зависящиии от температуры Л-колебаниями (см. фиг. 2).
Вместо предложенной модели можно было бы использовать модель
с одним осциллятором, по-разному реагирующим на световые и температур-
ные изменения; этот осциллятор мог бы определять наблюдаемый ритм
организма и тогда переходные явления надо было бы связать с работой
этого осциллятора. Эксперименты, результаты которых представлены на
фиг. 3, исключают подобную возможность. Проверка основана на детальном
изучении реакций системы на однократные 12-часовые световые сигналы
(см. фиг. 1); в тех случаях, когда сигнал приходил до субъективного рас-
света, новое колебание было по фазе впереди прежнего; наоборот, когда
сигнал приходил после субъективного рассвета, новое колебание запазды-
вало по фазе. (Под субъективным рассветом понимается та фаза ТТ-ритма,
которая при нормальном СТ-цикле соответствует переходу от темноты
к свету.) С помощью каждой из двух предложенных моделей можно пред-
сказать время субъективного рассвета после температурного возмущения,
270
К. Питтендрай
причем получаются совершенно разные результаты. Как видно из фиг. 3,
предсказание на основе одноосцилляторной модели неверно; если же исхо-
дить из двухосциллятор ной модели, получается поразительно точный
результат: сигнал, совпадающий с предсказанным субъективным рассве-
том, не вызывает сдвига фазы; если сигнал приходит позже, наблюдается
задержка по фазе, если он приходит раньше, то наблюдается опережение.
Под действием как световых, так и температурных периодических
изменений ритм может быть затянут к определенной фазе. На языке модели
это означает, что свет затягивает В-колебания и, следовательно, весь
ритм только через посредство Л-колебаний. Температурные изменения
Фиг. 3. Опыты, позволяющие сделать выбор между одноосцилля-
торной и двухосцилляторной моделями для переходных колебаний,
вызванных температурными возмущениями.
/ — двухосцилляторная интерпретация устойчивого состояния (ср. с фиг. 2);
Л-колебание имеет пилообразную форму. Показаны три последовательных
пика вылета; II — двухосцилляторная интерпретация переходных колебаний,
вызванных температурными возмущениями; III — следствия одноосциллятор-
ной интерпретации; IV — эксперименты, позволяющие определить положение
субъективных рассветов во время температурных переходных колебаний. Пока-
зано поведение культур 2 — 6 и 8 при воздействии 12-часового светового си-
гнала, время которого определяется выделенными участками горизонтальных
линий. Ф/с — фаза контрольных организмов; Ф — фаза ^устойчивого состоя-
ния после светового сигнала. См. текст.
непосредственно воздействуют на В-колебания; система в целом достигает
равновесного состояния с помощью обратной связи от В к Л. Мы изучали
одновременное действие затягивающих циклов света и температуры; напри-
мер, был испробован режим, при котором фаза двух указанных агентов
систематически отклонялась от нормальной. Нормальным считается ход
ритма в естественных условиях, когда рассвет примерно соответствует
нижней точке температурного цикла; телеономически [8] нам следует ждать
аналогичного хода ритма в случае, когда воздействующие температурные
и световые агенты находятся в том же фазовом отношении. В естественных
условиях фазовый контроль за В-колебаниями осуществляется двумя
путями: непосредственно через температуру и косвенно (посредством Л)
через световой цикл. Если температурный цикл наложен на СТ-ритм таким
образом, что нижняя точка цикла примерно соответствует переходу от тем-
ноты к свету, то на фазу ритма системы фактически не оказывается никаких
воздействий. Если же фазовый угол между температурным и световым цик-
лами изменить, то можно наблюдать заметное изменение фазы ритма,
Циркадные ритмы и циркадная организация живых систем 271
являющееся следствием описанного выше двойного контроля. При движе-
нии нижней точки температурного цикла вправо относительно фиксиро-
ванного светового режима ритм системы вначале не меняется; но когда
сдвиг фазы температурного цикла достигает 15—16 час, наблюдается рез-
кий скачок фазы (фиг. 4). Область возможных фазовых углов между ритмом
системы и световым циклом составляет только 180°; другие 180° образуют
зону запрещенных фазовых соотношений. К настоящему времени такие же
эффекты обнаружены Брюсом [9] у Euglena и Робертсом [10] у тараканов.

«в
4
8
12
16
20
24
4 8
12 ТВ 20 24
_________J
” Спаоок’Чраэы
Ж »Til
Фиг. 4. Фаза ритмов Drosophila (Л) и таракана (5) как функция
фазового угла между одновременно действующими затягивающими
циклами температуры и света.
Температурный цикл имеет синусоидальный характер. По оси абсцисс отло-
жено время, сопоставленное с ходом светового цикла, по осн ординат — фа-
зовый угол между световым и температурным циклами, измеряемый в часах;
для Drosophila он равен промежутку времени между рассветом и нижней точ-
кой температурного цикла; для тараканов — промежутку времени между за-
ходом солнца и самой высокой точкой температурного цикла. Обратите вни-
мание в каждом случае на скачок фазы, соответствующий критическому фа-
зовому углу между затягивающими циклами.
Д-ра Вевер и Ашофф указали мне, что этот результат можно объяснить
с помощью модели, в которой единственный осциллятор подвергается одно-
временному воздействию двух затягивающих циклов; фаза этого осцилля-
тора при взаимодействии двух циклов будет вести себя как раз так, как
мы наблюдали: область возможных фаз составит только 180. Однако в двух-
осциллятор ную схему хорошо укладываются не только 180-градусный
скачок фазы, но и результаты других экспериментов, приведенные на
фиг. 5. (Эти результаты можно найти в одной из наших работ [5], где они
даны без соответствующей обработки.) Точки на графиках соответствуют
середине каждого пика; графики для разных дней последовательно помещены
один под другим. Объектом исследования служили четыре культуры.
272
К- Питтендрай
Нижняя тонка темп, цикла для
4 культур I ЛШШ
___________i I i i______J
Рассвет
f f ft
j Л ill tv
Фазы 4 культур
t tt
It шр
Нижняя тонка темп, цикла
для 4 культур
Фиг. 5. Ритм вылета четырех
культур Drosophila (/, II, III,
IV), затягиваемый одновременно
световым и температурным цикла-
ми, сдвинутыми по фазе на вели-
чину, близкую к критической
(ср. с фиг. 4).
Результаты для последовательных дней
помещены один под другим. Точки со-
ответствуют серединам пиков вылета.
А—устойчивое состояние. Для культур
II, III и IV суточная активность имеет
по два пика; пики меньшей величины
(ii, Hi и iv) появляются в некоторые
дни по другую сторону от запрещенной
зоны относительно главных пиков;
Б — световой цикл на второй день пре-
рывается; В — на второй день преры-
ваются оба цикла. В этом эксперименте
пики культуры III лежат слева от за-
прещенной зоны (обычно они лежат
справа).

Каждая из них подвергалась одновремен-
ному воздействию светового и температур-
ного циклов, причем для разных культур
разности фаз между циклами были различ-
ными. Для культур I и II равновесные фазы
лежат слева от запрещенной зоны, для
культур III и IV — справа. Для культур
II, III и IV наблюдаются дополнительные
пики активности меньшей величины, лежа-
щие по другую сторону от запрещенной
зоны относительно главных пиков.
На фиг. 5, Б световой цикл на второй
день прерывается; ясно видны переходные
явления, завершающиеся переходом всех
четырех ритмов к новой фазе, которая опре-
деляется продолжающимся температурным
циклом. Такой результат согласуется и с
одноосциллятор ной и с двухосциллятор ной
схемами. Этого нельзя сказать о резуль-
татах, показанных на фиг. 5, В. Здесь на
второй день прерываются уже оба цикла.
Фаза ритма меняется и занимает не какое-
то промежуточное положение между фазами
прерванных циклов, а соответствует фазе
светового цикла. Отсюда следует, что во
время устойчивого состояния, которого
организм достигает в режиме температур-
ных и световых воздействий, некоторая
система точно следует за световым циклом;
фаза светового цикла каким-то образом
регистрируется организмом и при отсутст-
вии внешнего контроля тут же проявляется.
Это, конечно, согласуется с результатами
экспериментов, в которых изучались пере-
ходные явления после однократного темпе-
ратурного возмущения: обратная связь от
В к А слаба; и когда с ее помощью сме-
щается общая фаза системы, Л-колебания
определяют фазу В-колебаний и фазу коле-
баний всей системы.
Фазовые соотношения в системе со
спаренными осцилляторами всегда харак-
теризуются запрещенной 180-градусной
зоной, так как в этой зоне энергия пере-
дается не от источника, поддерживающего
колебания, к системе, а наоборот. По-
добная интерпретация фазового скачка
хорошо согласуется еще с одним явлени-
ем, наблюдаемым на Drosophila (фиг. 6).
(Замечу, что фиг. 6 взята из моей статьи,
опубликованной в 1954 г. [1], но там она
не получила надлежащего объяснения.)
Во время субъективного рассвета (Р-2),
Циркадные ритмы и циркадная организация живых систем
273
соответствующего ТТ-ритму и принятого за начало отсчета времени,
температура понижается на 10°. Можно отметить два результата: один сос-
тоит в переходном удлинении следующего интервала между пиками вылета,
конец которого помечен В-3 (В-3 задерживается на 12 час). Второй резуль-
тат связан с небольшим фазовым сдвигом (—2 час) последующего устойчи-
вого состояния относительно предыдущего. Это означает, что субъективный
рассвет (Р-3) в отличие от пика вылета (В-3) задерживается только на
2 час. В нижней части фиг. 6 изображены результаты такого же понижения
температуры, полученные на культуре, ритм которой затягивается СТ-цик-
лом. Световой цикл сохраняет прежнюю фазу субъективного рассвета: новое
устойчивое состояние совпадает по фазе с прежним. Однако задержке В-3
Фиг. 6. Иллюстрация запрещенной и разрешенной (РЗ) зон для фазовых
соотношений ритма вылета Drosophila.
Объяснения см. в тексте.
свет помешать не в состоянии. Наоборот, эта задержка возрастает еще почти
на 12 час (180°) и В-3 наступает уже после следующего субъективного рас-
света (Р-4).
Этот эксперимент весьма показателен и ведет к двухосцилляторной
схеме с присущей ей запрещенной зоной фазовых соотношений. Вертикаль-
ные линии, отмечающие на фиг. 6 положение субъективных рассветов,
отражают ход Л-колебаний. Для случая свободного ТТ-ритма субъектив-
ный рассвет (Р-3) сдвигается вправо на 2 час, что и определяет фазу нового
устойчивого состояния; задержка В-3 еще не выводит пик вылета из разре-
шенной зоны (РЗ) фазовых соотношений (относительно Л-колебания).
Когда же Л-колебания под действием света смещаются во времени примерно
на 2 час вперед, задержка пика вылета переводит их в область справа от раз-
решенной зоны: в результате наблюдается скачок фазы, определяемый
величиной запрещенной зоны; задержка В-3 возрастает еще больше. Подоб-
ные же эффекты можно было бы заметить при детальном анализе фиг. 1, Л,
но. на этом я не буду останавливаться.
Наконец, постулированная двухосцилляторная схема, с характерными
для нее ограничениями, которые налагаются на фазовые соотношения между
Л- и В-компонентами, объясняет также еще не описанную в литературе
интересную особенность переходных явлений, возникающих у Drosophila
в результате температурных воздействий. Как уже было сказано, понижение
температуры ведет к большим переходным задержкам, которые можно наб-
людать только в том случае, если задержка В-ритма не выводит его из раз-
решенной зоны фазовых соотношений. Вместе с тем увеличение температуры
приводит только к тому, что следующий пик наступает чуть-чуть раньше’,
274
К. Питтендрай
опережению по фазе препятствует переход В-ритма в зону, запрещенную
Л-ритмом.
Вполне может оказаться, что ни одно из описанных наблюдений не
является решающим доводом в пользу двухосцилляторной схемы. Однако
многие из них, даже если их рассматривать изолированно от остальных,
исключают все предложенные до сих пор объяснения, основанные на одно-
осцилляторной модели; вместе взятые, они служат почти бесспорным обосно-
ванием двухосцилляторной модели, и остается только ждать того момента,
когда будут известны конкретные детали об Л - и В-колебаниях.
ЦИРКАДНАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ; МНОГООСЦИЛЛЯТОРНАЯ СИСТЕМА
Рассмотрим более широкие представления, связанные с проблемой
ритмов и являющиеся непосредственным развитием двухосцилляторной
схемы, построенной для объяснения ритмов вылета у Drosophila. К подобной
двухосцилляторной схеме пришла недавно Харкер [11] в поисках объясне-
ния ритмов активности тараканов, а несколько лет назад эту схему исполь-
зовали Браун и Вебб [12], изучавшие ритм изменений окраски у краба
Uca. Таким образом, развиваемые на основе двухосцилляторной модели
представления покоятся не только на частных деталях поведения Droso-
phila.
Отбросим крайне невероятное предположение, по которому вылет
взрослых особей Drosophila, двигательная активность тараканов и смена
окраски у Uca случайно оказались теми единственными для каждого орга-
низма примерами систем, которые обладают ритмическим компонентом
(В-колебания), отличным от чувствительных к свету А-колебаний, задающих
ритм; тогда мы должны будем неизбежно признать, что существует много
подобного рода физиологических колебательных систем, непосредственно
не связанных со световыми периодическими изменениями среды. Распрост-
раненное мнение, согласно которому нашей задачей является выявление
и анализ единственного «эндогенного ритма» или единственных «внутрен-
них часов», фактически оказывается неверным, так как в действительности
организм содержит целую популяцию квазиавтономных колебательных
систем. Следствия из этого положения представляются мне исключительно
важными для дальнейшего прогресса в области выяснения природы ритмов;
поэтому сначала мы постараемся возможно полнее раскрыть его смысл
и обсудить лежащие в его основе факты и только потом перейдем к обсужде-
нию вытекающих из него следствий.
Как убедительно показал Халберг (см. например, [13]), у млекопи-
тающих (мыши, человек) можно наблюдать целый набор ритмов: двигатель-
ные ритмы, ритмы температуры тела, ритмы концентрации сахара в крови
и гликогена в печени, числа эозинофилов, активности надпочечников,
синтеза фосфолипидов, синтеза ДНК и РНК, клеточного деления, чувстви-
тельности к различным препаратам и т. д. При этом совершенно ясно, что
здесь перечислены только те ритмы, которые в настоящее время доступны
наблюдению; с течением времени этот список все увеличивается и увели-
чивается! Так что вопрос не в том, действительно ли в организме существует
много ритмов: это установлено достаточно твердо. Стоящая перед нами
проблема много сложнее: найти все те ритмы, которые пока выпадают
из нашего поля зрения, и определить, какие ритмы являются автономными
и какие возбуждаются в системах, не обладающих собственной ритмикой,
центральным задающим осциллятором.
Циркадные ритмы и циркадная организация живых систем
275
Вполне возможно, что в последнюю категорию попадают очень многие
из ритмов. Например, известные физиологические связи между активностью
надпочечников и буквально всеми остальными звеньями метаболизма
млекопитающих позволяют считать, что устойчивым автономным осцилля-
тором является один только надпочечник. Однако все, что мы знаем о таких
физиологических связях — нервного или гуморального типа,— характер-
ных для многоклеточных организмов, ничего не говорит о характере взаи-
модействия между лежащими по обе их стороны участками; рассматривае-
мые связи могут быть всего-навсего каналами передачи информации,
служащими для одностороннего или взаимного согласования между нахо-
дящимися в разных тканях совершенно самостоятельными колебательными
системами.
Я думаю, что в свете всех имеющихся в нашем распоряжении фактов
надо отдать предпочтение второй возможности. На это прямо указывают
эксперименты с культурами тканей и органов. Например, много лет назад
был обнаружен циркадный ритм роста тканевой культуры Daucus [14].
Бюннинг [15] сообщил о циркадных колебаниях, сохранявшихся в изоли-
рованной петле кишечника хомяка; другими исследователями [18] были
получены данные о циркадной периодичности клеточного деления в ткане-
вой культуре млекопитающих. Наконец, какая-то степень автономии
колебаний в отдельных тканях и органах должна неизбежно следовать уже
из того, что отдельные клетки, по крайней мере это относится к одноклеточ-
ным организмам, отличаются совершенно самостоятельно поддерживающи-
мися циркадными колебаниями, идентичными по форме с циркадными коле-
баниями многоклеточных систем [16, 17]. И если не наделять организмы
простейших какими-то особыми колебательными свойствами, то многокле-
точные организмы действительно представляют популяцию автономных
осцилляторов. В этом случае главной чертой физиологической организации
должна быть система коммуникаций, основная функция которой состоит
не в возбуждении колебаний, а только в согласовании по частоте и фазе
колебательных активностей, внутренне присущих отдельным подсистемам-
Остальная часть этого раздела посвящена наблюдениям за свободными
ритмами активности и температуры тела. Эти ритмы сами по себе ничего
не говорят в пользу моего утверждения о независимости колебаний в тканях
и органах. Но на их примере хорошо видна сложность ритмического пове-
дения всего организма, наиболее естественно вытекающая из изложенных
выше представлений; в этом смысле рассматриваемые ритмы я могу тоже
включить в число используемых мною аргументов.
В последние несколько лет мы наблюдали весьма распространенное
явление (тараканы, ящерицы, мыши, хомяки, зяблики), которое мы назы-
вали «остаточными эффектами». Эти эффекты сказываются на величине
периода свободных ТТ-ритмов в зависимости от условий, в которых орга-
низм находился перед тем, как его поместили в темноту. Мы наблюдали три
типа остаточных эффектов.
Первый связан с затягиванием ритма колебаниями, период которых
отличен от обычного. На фиг. 7, Б приведены результаты опыта с четырьмя
хомяками (самцы одного помета), ритм которых сначала затягивался коле-
баниями с периодом 23 час, а позднее — колебаниями с периодом 25 час.
После каждого из режимов наблюдалось поведение организма в темноте.
После 25-часового дня ритм протекал медленнее.
Второй остаточный эффект связан с изменением т в условиях непре-
рывного освещения. По данным Робертса [10], пребывание тараканов
на свету удлиняет т и это удлинение, по крайней мере частично, сохраняет-
276
К. Питтендрай
ся после возвращения животного в темноту. Повторное воздействие света
все более удлиняет период ритма в темноте. На фиг. 8 представлены опыты
с мышью Peromyscus. Здесь на свету ритм вообще исчезает; правда, в других
опытах с животными этого вида он сохранялся, но отличался большой
величиной периода [19]. Когда животное, ритм у которого был утрачен,
• ГСР(25)
1 + 20MUH
О ТСр(23)
Б
2 4 час
-1 -12 мин
Фиг. 7. Остаточные эффекты, проявляющиеся в величине периода
свободного ритма хомяка.
Точки соответствуют серединам пиков. А — гистограмма, показывающая рас-
пределение значений Т для взятых одиннадцати животных; Б — Т^р (25)
означает период свободного ритма после затягивания 25-часовым внешним
циклом; Тер (23) — то же после 23-часовых суток. См. текст.
возвращалось в темноту (этот день помечен на фиг. 8 стрелкой), в течение
нескольких недель наблюдался необычно длинный период. Здесь мы сталки-
ваемся с ярким остаточным эффектом света; в конце концов животное вновь
возвращается к короткому периоду, типичному для условий темноты.
К третьей категории относятся остаточные эффекты, следующие за пере-
ходными процессами. На фиг. 9 показаны свободные ритмы хомяка и зябли-
ка. В каждом случае фаза ритма сдвигается под действием однократного
12-часового светового сигнала. Для зяблика фаза сигнала подбиралась так,
чтобы переходный «период» был короче; после спада переходных процессов
новое устойчивое состояние имеет более короткий период, чем предыдущее.
Подобные остаточные эффекты проявляются и в опытах с хомяком; на
фиг. 9, Б можно видеть переходные процессы, приводящие как к задержке,
так и к опережению по фазе: в первом случае т длиннее, а во втором короче.
Наконец, на фиг. 7, А представлены наблюдаемые-величины т-гт для каж-
дого из 11 хомяков; в 8 случаях приведены две величины ттт: белым кружком
Фиг. 8. Влияние предварительного непрерывного освещения на свободный ритм
летучей мыши Peromyscus maniculatus в темноте.
Каждая горизонтальная линия представляет собой результат суточной регистрации вращения
бегового колеса; время активности отмечается на каждой линии вертикальными черточками, кото-
рые в период интенсивной активности сливаются и образуют сплошную полосу. Последовательные
суточные записи помещены одна под другой. Справа приведена такая же запись со сдвигом на одни
сутки, что дает наглядное представление о смещении ритмов с более длинным и более коротким
периодом относительного 24-часового цикла. Объяснение см. в тексте.
Фиг. 9. Остаточные эффекты переходных колебаний, вызванных 12-чассвым свето-
вым сигналом, для зяблика (Д) и хомяка (5).
Точками отмечается начало двигательной активности. Для обоих животных световые сигналы
приводят к сдвигу фазы ритма (определяется по моменту наступления активности). Период нового'
устойчивого состояния отличен от периода предыдущего; знак разности между периодами отражает-
характер переходных колебаний (замедленные или ускоренные).
278
К- Питтендрай
обозначена величина периода для свободного ритма перед тем, как животное
подвергалось воздействию внешних циклов; черным кружком — для сво-
бодного ТТ-ритма после такого воздействия. Устойчивое состояние в усло-
виях периодического светового режима достигается в результате переход-
ных процессов, с помощью которых фаза ритма животного приходит в соот-
ветствие с фазой светового цикла. У 4 животных переходные процессы про-
текали с задержкой фазы, и величина т второго свободного ритма была
больше. Продолжительность воздействия затягивающего светового цикла
была невелика — порядка нескольких дней; хотя внешне ритм животного
за это время успевал прийти в равновесие со световым циклом, какой-то
«инерционный» эффект переходных явлений сохранялся и влиял на период
второго ТТ-ритма.
Если вообще величина т может служить индивидуальной характеристи-
кой организмов, иными словами, если существует различие в генетическом
контроле т, было бы правильнее говорить об интервале возможных значе-
ний т. Организм может быть приведен в колебание с любой частотой, соот-
ветствующей этой области, и это колебание по крайней мере некоторое время
будет устойчивым; при этом само по себе состояние колебательной системы
не меняется.
Из этого замечательного свойства можно сделать только один непре-
ложный вывод: колебательная система, лежащая в основе ритма инди-
видуального организма, устроена совсем не просто. Ни один из известных
осцилляторов не ведет себя подобным образом. Колебательная система
организма не имеет никаких собственных частот, которые определялись
бы фиксированным набором параметров. Обращаясь далее к свойствам
многоосцилляторной циркадной системы, мы тоже не находим простого
однозначного объяснения; однако на основе некоторых других фактов
мы можем прийти еще к одному предположению. Наблюдаемая у организма
частота хотя бы частично определяется спектром частот, который проявился
бы, если бы рассматриваемые колебания были свободны и не затягивались
колебаниями остальных частей системы. Механизмы, посредством которых
осуществляется связь колебаний со всем присущим ей комплексом взаимных
затягиваний, должны характеризоваться дискретными величинами, опреде-
ляющими область реализуемых частот системы.
Сейчас уже известно немало случаев, когда свободноколеблющиеся
системы содержат несколько компонентов с различными характеристиче-
скими частотами. Первая такая система была обнаружена Менакером [20] при
изучении ритма температуры тела летучих мышей во время зимней спячки.
В этой его работе на фиг. 1 показаны результаты недельных наблюдений
за ходом ритма; каждые 24 час вначале наблюдался резкий подъем темпе-
ратуры, сменявшийся участком ее относительного постоянства. Но, помимо
этого, можно было заметить пики меньшей величины, следовавшие один
за другим с меньшей частотой (~ 25 час).
Три других примера содержатся в неопубликованной работе Суэйда,
посвященной арктическим млекопитающим. Два из них связаны с действием
постоянного света на ритмы летучих мышей. Об одном из этих двух случаев
уже упоминалось в связи с остаточным СС-эффектом (см. фиг. 8). Возвраще-
ние ритма мыши к типичному для него короткому ТТ-периоду происходит
очень интересным образом. Никакого резкого или постепенного изменения
частоты не наблюдается (в других случаях имело место и то и другое).
Новая частота, обычная для темноты, появлялась как отдельный компонент
еще до того, как затухали колебания с менее типичной частотой, возбужден-
ные на свету. Около 10 дней можно было наблюдать обе эти частоты. На вто-
Циркадные ритмы и циркадная организация живых систем
279
рой мыши (фиг. 10) изучался ход ритма при переходе от СТ- к СС-режиму.
Вначале свободный ритм имел большой период, характерный для влияния
света на ночных животных. Колебания с этим периодом продолжались
почти до тех пор, пока момент начала активности, каждые сутки наступав-
ший несколько позже, не возвратился к тому же времени суток, в какое
| Включение J Выключение
Фиг. 10. Ритмы рыжей полевки Clethrionomys rutilus.
Способ представления данных тот же, что на фиг. 3. Первые 35 дней ритм животного затягивал-
ся режимом СТ 12 : 12. Обратите внимание на постепенное приближение к устойчивому состоянию
(переходные колебания). Моменты включения и выключения света отмечены стрелками. На 36-й
день мышь помещали в условия непрерывного освещения. Наблюдаются свободные колебания
с большим периодом, который на 31-й день довольно резко укорачивается. Фаза последних коле-
баний при экстраполяции совпадает с фазой начала активности предыдущего устойчивого со-
стояния. Объяснение см. в тексте.
он наступал сразу после смены светового режима; затем период резко изме-
нился, вновь стал коротким и далее уже не менялся. Но особенно инте-
ресно, что если фазу короткого периода экстраполировать назад, то она
совпадет в точности с фазой устойчивого колебания, наблюдавшегося
в условиях СТ-режима. Отсюда ясно видно, что некоторый компонент
в организме все время с начала непрерывного освещения продолжал коле-
баться с прежней, более высокой, частотой. Другие колебания, непосредст-
венно контролирующие ритм активности, в условиях непрерывного освеще-
ния поначалу протекали со своей собственной, более низкой, частотой,
но затем вновь затягивались колебаниями высокочастотного компонента;
при этом связь обоих типов колебаний возобновлялась как раз по достиже-
нии нормального фазового соотношения между ними.
Подобное поведение еще более резко выражено на фиг. 11, на которой
показан ритм аляскинского длиннохвостого суслика в СС-условиях.
Интенсивность света в отмеченный пунктиром день резко возрастала. Уже
много дней спустя вырисовывались две особенности: во-первых, величина
Фиг. 11. Свободный ритм аляскинского длиннохвостого суслика (Spermophilus undulatus)
в условиях непрерывного освещения.
Способ представления данных тот же, что на фиг. 8. В день, отмеченный пунктирной линией, идущей
через всю фигуру, интенсивность света увеличивалась. Стрелки указывают моменты смены перегоревших
ламп. См. текст.
Циркадные ритмы и циркадная организация живых систем 281
активности в начале каждой «циркадной полосы» с каждым днем станови-
лась меньше; во-вторых, циркадные полосы, как это наблюдается в некото-
рых других случаях, оказывались состоящими из двух частей; вторую часть
составлял компонент, частота которого была ниже, чем у основной полосы.
Свободные колебания низкочастотного компонента прекращались, когда
соответствующая ему активная фаза, смещаясь относительно главного
компонента, проходила цикл последнего целиком и вновь попадала на
начало его активной фазы: в этот момент период колебаний низкочастотного
компонента затягивался колебаниями основного компонента. Очевидно,
в том случае, когда вся система колеблется связанно, фаза низкочастотного
компонента в момент затягивания является его нормальной фазой. Пони-
жение активности в начале активной фазы главного компонента совпадает
с появлением свободных колебаний второго компонента. С момента затяги-
вания подобного изменения уже не наблюдается.
Другие яркие примеры рассогласования ритмов колебательной сис-
темы приведены в работе Лоббан [21], представленной на этом симпо-
зиуме.
ФИЗИОЛОГИЯ ЦИРКАДНОЙ ОРГАНИЗАЦИИ
И ЕЕ НАРУШЕНИЯ
Автономия и потенциальное рассогласование различных колебатель-
ных компонентов циркадной системы являются серьезным затруднением
для тех представлений, которые я здесь пытаюсь развивать, так как нор-
мальная временная организация циркадной системы автоматически озна-
чает колебание всех компонентов с одинаковой частотой при соответствую-
щем соотношении между фазами. Как это может осуществляться? С одной
стороны, в естественных условиях ритмы системы односторонне затяги-
ваются по частоте внешними циклами света и температуры. Фактически
такое внешнее затягивание выполняет двойную функцию: а) соответствую-
щим образом располагает все ритмы системы относительно внешних циклов
и б) обеспечивает тем самым постоянство частоты многочисленных эндоген-
ных колебаний. Насколько далеко идет такого рода прямой контроль за пра-
вильным взаимным расположением ритмов, пока не ясно. Даже в естественных
условиях это должно до некоторой степени зависеть от взаимодействия рит-
мов и, следовательно, от их взаимного затягивания. В отсутствие же внешних
световых и температурных циклов единство циркадной организации должно
зависеть исключительно от взаимного затягивания отдельных колебаний,
обеспечивающего одновременно равенство частот и нужные фазовые соотно-
шения. В эффективности взаимного затягивания колебательных компонен-
тов обычно не приходится сомневаться, так как его достаточно для поддер-
жания нужной организации даже в условиях почти абсолютного постоянст-
ва света и температуры. Однако не менее ясно, что 1) подобные постоянные
условия, которые так усердно применяют физиологи, часто бывают вредны
для организмов и 2) этот вред происходит от нарушений врожденной цир-
кадной организации. Такие нарушения, по всей вероятности, состоят
в потере способности составляющих колебательных подсистем к взаимному
затягиванию, что ведет к рассогласованию ритмов и нарушению нормальных
фазовых соотношений. Я только должен сразу сказать, что если вред
от воздействия апериодического режима является хорошо установленным
фактом, то его связь с нарушениями циркадной системы относится к теоре-
тическим построениям; в этом разделе я попытаюсь ее обосновать.
282 /С Питтендрай
В основе моих рассуждений лежит предположение о том, что нару-
шение фазовых соотношений между физиологическими подсистемами нару-
шает функции всего организма в целом; косвенных данных в пользу этого
предположения достаточно много (см. ниже), но из непосредственных под-
тверждений можно указать только одно. Оно связано с другим замечатель-
ным экспериментом, выполненным Харкер [22], которая, кстати, вовсе
не придерживается излагаемых здесь взглядов. В ранее выполненных ею
хорошо известных исследованиях [23] был обнаружен автономный суточ-
ный ритм нейросекреции подглоточного ганглия таракана, причем этот
ритм поддерживался даже после пересадки ганглия в организм других
тараканов. Теперь Харкер показала, что при пересадке второго ганглия
в брюшко нормального хозяина последнему эта пересадка не приносит
никакого вреда, если циркадные колебания пересаженного ганглия и его
собственного находятся в фазе. Но если пересаженный ганглий секретирует
с 12-часовым сдвигом фазы относительно ганглия хозяина, в стенке средней
кишки хозяина, находящейся под пересаженным органом, развиваются
трансплантируемые опухоли.
ДЕЙСТВИЕ АПЕРИОДИЧЕСКОГО СВЕТОВОГО РЕЖИМА
У нас нет каких-либо достоверных сведений о вредности постоянной
темноты для каких-либо организмов, помимо зеленых растений. Но зато
появляется все больше и больше данных, говорящих о вредных последст-
виях непрерывного освещения, по крайней мере для некоторых видов,
причем эти последствия связаны не с общим избытком световой энергии
как таковой, а с действием света на свободные ритмы циркадных систем.
Несколькими исследователями (первыми в их списке стоят Артур
и Гарвилль [24]) были замечены тканевые повреждения у растений тома-
тов, выращенных в условиях непрерывного освещения и постоянной тем-
пературы; то же наблюдалось и для других растений. Ключ к разгадке
этого явления дает следующее наблюдение Хиллмена [25]: никаких по-
вреждений в условиях непрерывного освещения не возникнет, если растение
одновременно подвергается воздействию 24-часового температурного цикла.
Поразительной параллелью этим результатам служит различие в ходе
СС-ритма вылета у Drosophila в условиях постоянного и циклического
температурных режимов. При постоянной температуре период ритма на
свету вначале увеличивается, но сразу вслед за этим система становится
апериодичной. В условиях же 24-часового температурного цикла подобной
апериодичности СС-ритма не наблюдается [26].
Результаты, полученные на Drosophila, важны тем, что с их помощью
можно непосредственно сравнить реакцию известной циркадной системы
в условиях непрерывного освещения при воздействии периодического
и непериодического температурных режимов; наиболее вероятное объясне-
ние — одновременно и для Drosophila и для томатов — состоит в следующем:
1) непрерывное освещение в какой-то степени дезорганизует циркадную
систему; 2) температурный цикл способен поддерживать систему в орга-
низованном состоянии, компенсируя дезорганизующее действие постоянного
светового режима; 3) вредные последствия непрерывного освещения, наблю-
даемые на томатах (данные, полученные на Drosophila, будут приведены
ниже), связаны с дезорганизацией циркадной системы и 4) эта дезорганиза-
ция связана с потерей способности к взаимному затягиванию и, следователь-
но, с нарушением нормальных фазовых соотношений между составляющими
колебательными подсистемами. Короче говоря, повреждения вызываются
Циркадные ритмы и циркадная организация живых систем
фазовым рассогласованием колебаний системы; отдельные подсистемы более
не связаны одна с другой и свободно колеблются со своими собственными
индивидуальными частотами — этим и объясняется, почему в условиях
непрерывного освещения вся система в целом теряет ритм. Объяснение
апериодичности, основанное на рассогласовании составляющих фазовых
колебаний, оправдывается и в связи с другого типа воздействиями СС-режи-
ма, наблюдавшимися в нескольких случаях, аналогичных представленному
на фиг. 11. Так,' постоянный световой режим может изменять свободный
период, свойственный организму в целом. Правда, изменение частоты всей
системы само по себе оказывается очень сложной проблемой. На фиг. 12
показано поведение мыши после того, как ее поместили в условия непре-
рывного освещения. «Период» свободного ритма удлиняется (что типично
для ночных видов), но причина развития апериодичности состоит в том,
что период для спадов активности возрастает в меньшей мере, чем период,
соответствующий началу активности. Создается впечатление, что продолжи-
тельность активного состояния определяется фазовым углом между двумя
колебаниями, частоты которых по-разному зависят от интенсивности света*
К этому можно добавить, что по возвращении мыши в темноту продолжи-
тельность активного состояния вначале мала, а затем постепенно увеличи-
вается; и снова начало и конец активности наступают с разной частотой.
Продолжительность активного состояния увеличивается до тех пор, пока
ритм не утрачивается. Очень привлекательно представление, согласно
которому после (вынужденной) потери нормального согласования коле-
баний в СС-условиях эти колебания не способны к затягиванию и в постоян-
ной темноте. Таким образом, весьма возможно, что чувствительная к свету
система сама состоит более чем из одного осциллятора [261, причем одно-
временное изменение их периода в СС-условиях приводит к разрушению
самой задающей (чувствительной к свету) системы.
И, конечно, самым лучшим, прямым и наиболее четким доказатель-
ством правильности подобного объяснения служит ход свободного ритма
животного в СС-условиях после увеличения интенсивности света; для дру-
гих животных, которые тоже характеризовались расхождением компонен-
тов свободного ритма, поведение в СС-условиях было аналогичным.
Зеленые растения — не единственные организмы, для которых были
найдены конкретные повреждения, вызванные непрерывным освещением.
Исследования Суэйда по влиянию СС-режима при постоянной температуре
сильно затруднялись тем, что большинство животных уже через неделю
погибало. Хайкин, сообщавший ранее о повреждениях, появляющихся
на растениях гороха под влиянием постоянного температурного режима,
в работе, представленной на этом симпозиуме [27], сообщает об аналогичном
действии постоянного светов.ого режима. Пожалуй, наибольший интерес
представляют данные Хайкина о том, что после возвращения растения
в периодический режим повреждения ликвидируются не сразу. Они сохра-
няются даже в последующих поколениях, по крайней мере в виде длитель-
ных модификаций.
Недавно при работе на Drosophila melanogaster мы столкнулись с явле-
нием, которое, по-видимому, имеет аналогичный смысл. Пытаясь найти
у животного систему, которая чувствительна к нарушениям врожденной
циркадной организации и определяет вызванные этими нарушениями по-
вреждения, мы провели несколько анализов с целью установить влияние
периодических и непериодических режимов среды на выражение генов
с различной частотой проявления (пенетрантностью). Одним из выбранных
генов был рецессивный аллель tu%, ответственный за меланотические
Фиг. 12. Ритмы рыжей полевки Clethrionomys futilus.
Способ представления данных тот же, что на фиг. 8. СТ — световой цикл, затягивающий ритм в течение не-
скольких недель; указаны моменты включения и выключения света. Поведение животного в условиях СТ
достаточно интересно и рассмотрено Суэйдом в одной из его работ. Обратите внимание, что, даже когда
активность в темноте распределяется более или менее равномерно на протяжении суток, можно различить
заметные периодические компоненты. См. текст.
Циркадные ритмы и циркадная организация живых систем 285
псевдоопухоли. Полученные к настоящему времени результаты приведены
на фиг. 13. Гомозиготная линия поддерживалась в условиях СТ 12 : 12
при 22°; в эти условия мы ее поместили сразу после приобретения. Несколько
других линий помещались в условия ТТ, СС и т. д. Как показывает фиг. 13,
у линии, помещенной в условия СС, частота проявления гена tu& быстро
4 6 8 Ю 12 /4 16 18 20 22 2Ь 26 28 30 32
Поколения
Фиг. 13. Частота опухолевых фенотипов у линии Drosophila melanogaster, гомозигот-
ной по рецессивному аллелю tus.
Большие кружки, соответствующие поколениям 16, 20 и 30, представляют результаты для Fi
от скрещиваний СТ- и СС-особей. Белые кружки дают результаты скрещиваний, в которых самка
была взята из СС-линии; черные квадраты и треугольник дают то же для случая, когда самка
была взята из СТ-линии (квадраты — экстракт облучен ультрафиолетом, треугольник — автокла-
вированный экстракт). В двух точках (поколения 13 и 23) часть культуры, выращенной на
свету, переводили в СТ-условия и держали там в течение нескольких поколений. См. текст.
спадает; в первом поколении она снижается с 90 до 40%, а в пятом составля-
ет менее 20%. С 12-го по 24-е поколение (последнее до сих пор полученное)
она ниже 5%. Частота проявления гена в СТ-контроле, наоборот, изменилась
от 60 до 90%; то же наблюдалось для ТТ-условий. При возвращении линии
из СС- в СТ-условия частота проявления этого гена если и восстанавли-
вается, то не сразу. Такого рода опыт мы провели дважды; во втором опыте
мы уже получили в условиях СТ 9-е поколение. Очевидно, СС-условия
приводят к каким-то наследственным изменениям.
Три раза СС-линия скрещивалась с СТ-линией; при обратном скрещи-
вании каждый раз получался разный результат (см. фиг. 13); эта разница
особенно велика в третьем случае, когда 30-е СТ-поколение скрещивали
с 22-м СС-поколением. В каждом случае частота проявления гена tu~ была
ниже у тех F15 для которых СС-родителем была самка. Можно поэтому гово-
рить о некоторых данных в пользу цитоплазматических изменений, кото-
рыми можно было бы объяснить подозрительно быстрое уменьшение частоты
проявления этого гена в первом СС-поколении. Кроме того, в пользу такого
объяснения говорит выполненный один раз эксперимент Брюса: фракцию,
всплывающую после высаливания и центрифугирования гомогената СТ-мух,
добавляли в среду СС-культуры, и в результате опухоли стали появляться
чаще. При облучении этой фракции ультрафиолетом увеличение было не-
значительным; если же высаливаемую фракцию автоклавировали, никаких
изменений вообще не наблюдалось. Работа в этом направлении продолжает-
ся; особое внимание уделяется поиску способа, с помощью которого удалось
бы отделить простые эффекты, связанные с влиянием отбора в СС-условиях
286
К. Питтендрай
на модификаторы пенетрантности, от более заманчивых возможностей
индуцированных цитоплазматических изменений.
Ясно, что если предложенное объяснение действия СС-условий пра-
вильно, то степень их вредности должна обязательно зависеть от того,
насколько сильна связь между отдельными ритмами. В условиях непре-
рывного освещения периодичность сохраняется у тех организмов, циркад-
ная организация которых способна противодействовать расхождению рит-
мов; можно ожидать, что такие организмы будут менее подвержены вредному
действию непрерывного освещения и другим более сложным изменениям,
подобным изменению частоты проявления гена tug у Drosophila.
ДЕЙСТВИЕ АПЕРИОДИЧЕСКОГО ТЕМПЕРАТУРНОГО РЕЖИМА
Можно также проследить за физиологическими последствиями апе-
риодичности температурного режима. В этом случае нужно говорить не
столько о вредных последствиях постоянной температуры, сколько о пользе
циркадной периодичности температурного режима. Первым, кто открыл
этот эффект, мы, очевидно, должны считать Вента [28], показавшего бла-
гоприятное действие суточного термопериода на растения томатов. Сейчас
термопериодизм хорошо известен для растений, но я не помню, чтобы кто-
либо сообщал о термопериодизме у животных. Недавно нами было обнару-
жено это явление на Drosophila. Мы изучали частоту проявления несколь-
Жизнеспособность полулегальных гомозигот Drosophila melanogaster
в зависимости от периодического температурного режима
Цифры указывают число самок (гетерозигот и полулетальных гомо-
зигот) в результате каждого из 5 скрещиваний: (инверсия/рецессивная
деталь) х инверсия. Рецессивные летали для каждого скрещивания
были разными (изучение жизнеспособности рецессивной летали и было
основной целью исследования; о результатах его будет сообщено позд-
нее — после окончания большой серии экспериментов). Каждое скре-
щивание проводили два раза (5 пар на пробирку); одну пробирку поме-
щали в условия постоянной температуры (ПТ) 21°; СТ12 : 12, вторую —
в условия периодически изменяющейся температуры (ИТ), период
24 час, СТ 12 : 12, характер изменения температуры примерно синусо-
идальный, с амплитудой 16° и средним значением 22°. Во всех скрещи-
ваниях процент полулетальных самок был выше в случае периодиче-
ского температурного режима. Для первых четырех скрещиваний уро-
вень значимости (согласно критерию %2) был равен 1%, для пятого скре-
щивания — 2%.
№ скрещивания Температура Число гетеро- зигот Число гомозигот Гетерозиготы, % от общего числа самок
I ИТ 249 34 12,0
пт 383 9 2,3
II ИТ 387 67 14,8
пт 438 37 7,8
III ИТ 358 31 8,0
пт 409 15 3,5
IV ИТ 351 41 10,5
пт 317 13 3,9
V ИТ 383 31 6,4
пт 294 12 3,9
Циркадные ритмы и циркадная организация живых систем
287
ких сцепленных с полом рецессивных леталей, предоставленных нам д-ром
Новицким. Эти летали были сбалансировны с множественной инверсией
Х-хромосомы (у sc4 A-49snx2 sc8), полулетальной в гомозиготном состоя-
нии. Даже не имея достаточных сведений о частоте проявления различных
рецессивных леталей, мы можем сразу сказать, что в условиях апериоди-
ческого и периодического температурных режимов жизнеспособность гомо-
зиготных самок с хромосомой, несущей инверсию, явно различна. В таблице
на стр. 286 собраны результаты, полученные в нескольких скрещиваниях.
В каждом случае количество гомозиготных самок (в процентах к общему
числу самок) больше для периодического температурного режима.
Точно так же, как вредное влияние непрерывного освещения объясня-
лось нарушением циркадной организации, полезное действие термоперио-
дизма можно объяснить тем, что в этих условиях затягивание различных
ритмов системы происходит более эффективно, чем при действии одного
только светового цикла.
ВРЕДНЫЕ И ПОЛЕЗНЫЕ ЭФФЕКТЫ ИЗМЕНЕНИЙ ЧАСТОТЫ
Если пользу термопериодизма и вредность постоянного освещения
можно объяснить на основе поддержания и нарушения нужных фазовых
соотношений между колебательными подсистемами соответственно, то
мы могли бы предсказать два других типа наблюдений, о которых сообщали
сотрудники Эрхартской лаборатории в Пасадене. Эти «предсказания» исхо-
дят из ранее сформулированного постулата, по которому роль чувствитель-
ного к свету задающего осциллятора состоит в поддержании (может быть,
при участии каких-либо других систем) необходимых фазовых соотношений
в остальной части организма, которое осуществляется путем затягивания
всех остальных колебаний. Но, как и во всех явлениях затягивания колеба-
ний, задающий осциллятор может выполнять такую роль лишь в том случае,
если его частота достаточно близка к частотам свободных колебаний других
ритмов. Как подчеркивает Брюс [26], затягивание колебаний возможно
только в определенных пределах.
Следовательно, чувствительная к свету система должна была бы терять
способность к затягиванию остальных колебаний в двух случаях: 1) когда
колебания задающего осциллятора сами затягиваются внешним световым
циклом с периодом т, слишком сильно отличающимся от периода свободных
колебаний систем, нечувствительных к свету, и 2) когда при фиксирован-
ном внешнем световом режиме изменение температурного режима уводит
частоту чувствительных к температуре, но нечувствительных к свету коле-
баний слишком далеко от частоты задающего осциллятора.
Оба эти эффекта были обнаружены сотрудниками Эрхартской лабора-
тории. Хайкин и Хэнсон [29] наблюдали физиологические нарушения
в растениях, которые в целом получали столько же света, сколько и осталь-
ные растения, но этот свет распределялся периодически, причем величина т
сильно отличалась от 24 час. Второй эффект впервые наблюдал Вент на афри-
канских фиалках (Saintpaulia)’, подобные же эффекты позднее наблюдались
на других видах [30]. Рост африканских фиалок при некоторой постоянной
температуре зависит от периода внешнего светового цикла, что опять-таки
не связано с общим количеством света, получаемого растением: в каждом
случае, независимо от периода, освещение занимало 50% общего времени.
Эти результаты по существу аналогичны результатам Хайкина и Хэнсона,
но, кроме того, указывают, что оптимальная величина т светового цикла
зависит от температуры. При низких температурах оптимальное значение т
288
К. Питтендрай
больше, а при высоких — меньше. Согласно излагаемым здесь представле-
ниям, это означает, что влияние чувствительного к свету задающего осцил-
лятора на остальную часть системы тем сильнее, чем ближе его частота к слег-
ка зависящей от температуры частоте остальной части системы, колебания
которой должны быть затянуты задающим осциллятором.
ДРУГИЕ ПРЕДСКАЗЫВАЕМЫЕ ЭФФЕКТЫ
Если изложенные представления верны, то можно предсказать существо-
вание еще двух источников повреждений циркадной системы, которые,
насколько я знаю, никто до сих пор не принимал во внимание.
Во-первых, системы, одновременно подвергающиеся действию световых
и температурных циклов, должны обладать чувствительностью к фазовому
углу между этими затягивающими факторами, так как предполагается,
что свет и температура управляют разными компонентами системы. Если
эти циклы будут отличаться по фазе, скажем, на 180° (см., например, фиг. 4),
то они приведут к сильному рассогласованию фаз подсистем, которое, как
я предполагаю, лежит в основе повреждений, вызванных непрерывным осве-
щением и другими аномальными световыми циклами.
Во-вторых, такого же рассогласования мы должны ожидать в подопыт-
ных организмах при большом по величине и резком сдвиге фаз внешних
циклов, затягивающих ритм организма. Так, мы наблюдали влияние на
хомяков резкого сдвига фазы внешних изменений на 5—6 час. В наше время
такой сдвиг фаз циркадной системы часто испытывают люди, когда они при-
летают, скажем, из Нью-Йорка в Париж. Все переходные явления я и Брюс
также рассматриваем как временное частичное рассогласование системы,
продолжающееся до тех пор, пока они не прекратятся. У млекопитающих
переходные явления могут продолжаться несколько недель. Остается только
узнать, приводит ли такой фазовый сдвиг к каким-либо напряжениям или
даже повреждениям в системе. По крайней мере необходимость в приспо-
соблении к такого рода сдвигам в условиях естественного отбора никогда
не возникала.
ФИЗИОЛОГИЯ ЧУВСТВИТЕЛЬНОГО к СВЕТУ
ЗАДАЮЩЕГО ОСЦИЛЛЯТОРА
Само по себе явление затягивания колебаний кажется простым: эндо-
генные колебания, связанные с внешней средой какими-то чувствительными
приспособлениями, «следуют за световым циклом»; однако, как показал
Брюс, механизм затягивания еще далеко не ясен. Обсуждение этого ме-
ханизма здесь преследует две цели: 1) подчеркнуть лишний раз недавние
успехи, достигнутые в результате сравнительного изучения действия одно-
кратных световых сигналов и анализа полученных кривых; 2) дать самое
приближенное функциональное объяснение этим кривым, образующее
основу общей качественной теории затягивания колебаний.
Удобнее всего начать с составления списка фактов, которые должна
объяснить полная теория затягивания колебаний.
1. Действие однократных световых сигналов на свободные ритмы.
2. Точная синхронизация свободных циркадных периодов с периодом
вращения Земли вокруг своей оси.
3. Поддержание нужной фазы относительно естественного светового
цикла (при изменении длины дня) и вообще относительно всего внешнего
Циркадные ритмы и циркадная организация живых систем
289
цикла изменений среды. Особенно важно объяснить очевидные фазовые
различия между ночными и дневными видами; с приходом весны фаза начала
активности ночных видов каждый день задерживается в соответствии
с задержкой захода солнца; в то же время начало активности дневных видов
наступает все раньше, следуя за более ранним наступлением рассвета.
Осенью соблюдаются обратные соотношения.
4. Закономерности, которым подчиняется период свободных циркад-
ных ритмов: а) обычно ттт < 24 часу ночных животных и > 24 час у днев-
ных (не очень строгое правило); б) у некоторых видов (например,
у хомяка) область возможных значений ттт достаточно широка и находится
по обе стороны от 24-часового значения и в) ттт в некотором смысле лабиль-
но и может плавно изменяться, как было показано выше.
5. Известное действие режима постоянного освещения на величину
свободного периода, которое я называю правилом Ашоффа. Ашофф [44—46]
получил много относящихся сюда данных и сформулировал следующее
правило: Тсс > Ттт Для ночных видов и Тсс < Ттт Для дневных. Из этого
правила имеются некоторые исключения (например, Drosophila), но тем
не менее оно обоснованнее, чем приведенное выше правило (4, а), и, без-
условно, достаточно хорошо выполняется, чтобы требовать объяснения.
6. Область т, для которых возможно затягивание колебаний, огра-
ниченна.
7. Явления деления частоты.
СРАВНИТЕЛЬНОЕ ИЗУЧЕНИЕ РЕАКЦИЙ ОРГАНИЗМА
НА ОДНОКРАТНЫЕ СВЕТОВЫЕ СИГНАЛЫ
На этом вопросе недавно сосредоточили свое внимание несколько
исследователей [3—5, 7, 31—34]. Они исходили из того, что реакция на
такие непериодические возмущения должна быть простой, что позволит
лучше понять механизм затягивания колебаний периодическими сигналами.
Полученные к настоящему времени результаты показывают — и это осо-
бенно обнадеживает,— что у многих сильно различающихся видов (от
одноклеточных до млекопитающих) реакции на однократные световые сиг-
налы носят сходный характер. На фиг. 14 показан характер реакции
Drosophila pseudoobscura для нескольких типов сигналов. Данные для
12-часовых и 4-часовых сигналов были опубликованы ранее [3, 4, 7]. Здесь
они тоже приведены, причем представлены таким образом, чтобы было
легче сравнить их с новыми результатами для очень коротких вспышек
(1/2000 сек) и для других видов. Реакция на сигнал, соответствующий дан-
ной фазе ритма (фаза отложена по оси абсцисс), характеризуется сдвигом
фазы (отложен по оси ординат). Сдвиг фазы возникает двумя путями: по-
средством медленных переходных колебаний, протекающих с задержкой
фазы, или в результате быстрых переходных колебаний, идущих с опере-
жением фазы. На графике сдвиги фазы, связанные с медленными переход-
ными процессами, условно считаются положительными, а те, которые до-
стигнуты в результате коротких переходных колебаний,— отрицательными.
Помимо данных, полученных на Drosophila, на фиг. 14 помещены кри-
вые реактивности для хомяка и белки-летяги; кривые для хомяка взяты
из неопубликованных исследований д-ра Бэрчарда (Принстон), а резуль-
таты для летяги получила де Курси [32—34], которая недавно всесторонне
изучила характер ритмов у этого животного. Как показывают кривые,
для всех видов животных знак и величина реакции являются функцией
фазы, соответствующей моменту возмущения эндогенного колебания; ясно
290
К. Питтендрай
а
Drosophila
-10
-20
r50
40
30
20
10
15
12
9-
6-
3-
О 6 12 18 24
3
6
9\30
Лу>
Ч_Д<р
4 час
Угооосек
Фиг. 14. Кривые реакции на свето-
вое раздражение для Drosophila,
Glaucomys и Mesocricetus (хомяка).
Реакция измеряется сдвигом фазы ритма,
вызванным однократным световым возму-
щением. Различие в критериях реакции,
которые применяет де Курси (на них осно-
вана воспроизводимая из ее работы [32]
кривая для Glaucomys) и которые исполь-
зуются для Drosophila и хомяка, объяс-
няется в тексте. Результаты для хомяка
взяты из работы Бэрчарда [31]. Шкала
ординат относится ко всем трем графикам
(относительно знаков + и — см. текст).
По оси абсцисс отложено время в часах,
отсчитываемое от произвольной нулевой
точки. Для Drosophila она соответствует
фазе последнего рассвета в режиме СТ
12 : 12, после которого культуры перево-
дились в темноту, где и подвергались дей-
ствию светового возмущения. Для хомяка
и Glaucomys нулевая точка отстоит на
12 час влево от момента начала активности;
последний соответствует заходу солнца и
поэтому приблизительно соответствует
12 час на шкале для Drosophila.
Вспышки длительностью 1/2000 сек
в опытах с Drosophila имели очень высо-
кую интенсивность. Интенсивность 12- и
4-часовых сигналов при работе с Glaucomys
и хомяками составляла 750—1000 лк. Ин-
тенсивность 10-минутных сигналов, ис-
пользовавшихся де Курси для^Glaucomys.
была много меньше — 5 лк.
виден переход от задержки по фазе к ее
опережению, если сигнал приходит во
время субъективной ночи. Сравнивать
данные для разных видов пока прежде-
временно; такое сравнение в настоящее
время затруднено различиями в интен-
сивности сигнала и его продолжитель-
ности и неопределенностью критерия,
используемого для сравнения реакций.
Так, кривая, полученная де Курси для
Glaucomys, основана на 10-минутных
вспышках (5 лк), а реакция измерялась
по величине первого переходного коле-
бания вслед за раздражением; в нашей
же лаборатории результаты оценивают-
ся по конечному сдвигу фазы после спа-
да переходных процессов; продолжитель-
ность сигнала у нас была разной, но
10-минутных среди них не было. Не-
смотря на эти временные трудности,
ясно проявляется качественное сходство
результатов: для всех 3 видов наблю-
даются и задержки, и опережения по
фазе, причем с наступлением субъектив-
ной ночи знак сдвига фазы меняется.
Брюс и Питтендрай [35] сообщили о та-
кого же типа реакции у Euglena', ана-
логичные результаты получили Гастингс
и Суини [36] на Gonyaulax и Эрет [37]
на Paramecium. Робертс [10] наблюдал
описанные явления на тараканах; в дру-
гой неопубликованной работе, выпол-
ненной в Принстоне, их наблюдали у
ящериц и зябликов. Таким образом, мы
получаем еще один общий результат,
который можно внести в список свойств
циркадных ритмов и который подтвер-
ждает, что в области циркадных рит-
мов мы действительно имеем дело с об-
щими проблемами.
ТЕОРИЯ ЗАТЯГИВАНИЯ РИТМОВ
СВЕТОВЫМ ЦИКЛОМ
Реакции на световые возмущения
имеют прямое отношение к механизму
затягивания. Конечно, мы полностью
отдаем себе отчет в том, что объяснение
этого механизма в конечном счете тре-
бует подробных сведений о физиологии
систем, реагирующих на раздражение,
и о структуре светочувствительного ос-
циллятора (осцилляторов); в настоящее
Циркадные ритмы и циркадная организация живых систем 291
время у нас таких сведений нет. Однако мы уже имеем представление
о функциональной значимости механизма затягивания и можем попытаться
дать в общих чертах качественное объяснение некоторых из семи пере-
численных закономерностей, с которыми должна согласовываться любая
законченная теория.
Функциональное значение характера кривой реактивности для Glau-
сотуs* уже было отмечено де Курси [32]. С учетом того, что врожденный
ттт Для указанного ночного животного, как и полагается, меньше 24 час,
Фиг. 15. Интерпретация вида кривой, характеризующей реакцию
на изменение светового режима.
Площадь под кривой в световой области (ее продолжительность равна 12 час)
закрашена черным цветом в участках задержек по фазе и заштрихована
в участках опережений. См. текст.
кривая обеспечивает затягивание колебаний, в результате которого проис-
ходит адаптивное изменение фазы (фиг. 15). Если фаза ритма белки-летяги
будет установлена неправильно относительно СТ-цикла, она автоматически
сдвинется до нужной величины и далее будет фиксирована. Пусть фаза
ритма сдвинута вправо. Тогда она будет смещаться влево; во-первых, пото-
му, что т-гт < 24, и, во-вторых, потому, что рассвет будет световым сигна-
лом, вызывающим опережение по фазе. Когда фаза достигнет нормального
значения, рассвет будет вызывать уже задержку фазы, но эта задержка
будет скомпенсирована коротким врожденным ттт: фаза будет сбалансиро-
вана. При смещении фазы влево наблюдается обратный эффект: рассвет
вызывает задержку фазы, которую разница (24 — ттт) уже не компенси-
рует. Ритм будет смещаться вправо, пока вновь не достигнет равновесного
состояния.
При такой интерпретации весьма существенно, что устойчивое затя-
гивание колебаний есть состояние равновесия между значением ттт и све-
товым сдвигом фазы, который может иметь разный знак. Отсюда следует,
что для дневных видов (птицы или ящерицы; ттт > 24) должно также
существовать равновесное состояние, которое можно было бы найти по
19*
292
К. Питтендрай
аналогичной кривой реакции на световое раздражение. На этот раз рассвет
должен попадать в ту часть кривой, где она сдвигает фазу вперед, компенси-
руя избыток ттт над 24 час. Теперь нетрудно понять, каким образом днев-
ные и ночные виды сохраняют нужную фазу при изменении светового
периода. Удлинение дня весной сужает темновой участок кривой с двух
сторон. Более поздний заход солнца сдвигает в световую область тот учас-
ток кривой, где свет вызывает задержку фазы; более ранний рассвет пере-
мещает в световую область «участок опережения фазы». Первый эффект
сдвигает ритм вправо, а второй — влево; у ночных животных доминирует
первый эффект, а у дневных — второй.
Де Курси также указала, что с помощью той же кривой можно качест-
венно объяснить действие непрерывного освещения на Glaucomys. Согласно
правилу Ашоффа, для белки-летяги тсс > ттт; отсюда сразу напрашивается
вывод, что увеличение т в СС-условиях связано с сильным преобладанием
«участка задержек» на кривой реактивности над «участком опережений»
по продолжительности и особенно по амплитуде. Подобная интерпретация
действия непрерывного освещения на т может быть распространена и на
дневные виды: в СС-условиях период у дневных животных укорачивается;
следовательно, на кривой реактивности участок опережений должен сильно
преобладать над участком задержек (см. фиг. 15). Такая кривая в точности
отвечает требованиям эффективной фазовой синхронизации: у дневных
видов ход кривой должен быть обратным по отношению к ходу кривой для
Glaucomys.
Однако, сравнивая выведенную на основании подобных рассуждений
гипотетическую кривую с кривой для дневного вида Drosophila pseudo-
obscura, мы не находим ожидаемого соответствия: участки задержек и опе-
режений оказываются почти равными. В действительности площадь под
кривой для участка задержек даже немного больше той же площади для
участка опережений. Тем не менее этот пример для нас весьма удачен,
так как D. pseudoobscura одновременно является исключением из правила
Ашоффа; тсс Для этого животного несколько больше ттт. В этом смысле
мы получаем как раз такое исключение, которое «подтверждает» правило.
Более подробный анализ кривых для Drosophila, который, по мнению де
Курси, противоречит данным, полученным ею для Glaucomys, раскрывает
дополнительные аспекты всей проблемы.
Из кривой для Drosophila, полученной при использовании коротких
вспышек, ясно следует, что любой нормальный световой период (8—16 час)
будет заходить одновременно и в область задержек и в область опережений.
Поэтому равновесное состояние при затягивании колебаний должно одновре-
менно отражать (помимо эффектов, связанных с Ттт) эффекты, связанные
с обоими участками кривой (опережений и задержек). В тех случаях, когда
оба участка кривой заходят в световую область, отклонение ттт от 24 час
в ту или другую сторону может не играть никакой существенной роли для
равновесного состояния; по-видимому, равновесие зависит почти целиком
от взаимодействия утреннего опережения по фазе с вечерним отставанием.
Такого типа затягивание колебаний и фазовую синхронизацию скорее всего
можно ожидать у тех видов, для которых ттт может иметь значения как боль-
ше, так и меньше 24 час, отсюда понятно, почему указанное выше
(стр. 289) правило (4, а) надо считать не очень строгим.
Данное здесь объяснение затягивания ритма Drosophila, основанное
целиком на влиянии светового периода, находится в явном противоречии
с теми позициями, которых наша лаборатория держалась в прошлом [1—5];
тогда мы предполагали, что единственным эффективным затягивающим
Циркадные ритмы и циркадная организация живых систем.293
сигналом служит утренний переход от темноты к свету. В связи с измене-
нием наших воззрений мы решили пересмотреть аргументы, на которых
базировалась наша прежняя точка зрения: эти аргументы оказались оши-
бочными. Они были основаны на неверно поставленном эксперименте,
результаты которого представлены на фиг. 2, приведенной в одной из ранее
опубликованных статей [5]. Несколько культур, выращенных в условиях
Фиг. 16. Фаза ритма вылета Drosophila при различной длине светового периода
(указана на кривых).
А — распределение численности вылетающих особей в течение дня при различных фотопериоди-
ческих режимах. Рассвет служит началом отсчета для всех ритмов. Кривые нормализованы так,
чтобы площади под ними были одинаковы; для каждого часа даются средние величины, соот-
ветствующие 5 суткам устойчивого состояния. Б (слева от разрыва) — те же данные, представ-
ленные в ином виде; здесь фаза ритма (относительно 24-часовой шкалы оси абсцисс) характеризуется
средним арифметическим распределения (черные кружки). Ордината дает длину светового пе-
риода затягивающего цикла. Б (справа от разрыва)—фазы устойчивого состояния тех же ритмов
после перехода к темноте и спада переходных колебаний (белые кружки). Пунктирная линия
воспроизводит фазы предыдущего затянутого устойчивого состояния (дана для сравнения).
СТ 12 : 12, подвергали воздействию световых циклов с различной длиной
светового периода и изучали последствия таких воздействий уже на сле-
дующий день. Из этого эксперимента был сделан ошибочный вывод, что
фаза почти не зависит от длины светового периода. И только недавно стало
известно, что во взятых культурах переходные явления никогда не прекра-
щаются в пятидневный срок (срок наших наблюдений). Более поздние экспе-
рименты (фиг. 16) показали, что фаза ритма вылета Drosophila сильно зави-
сит от длины светового периода.
В связи с тем что длительные сигналы (4 или 12 час) частично заходят
и в область задержек и в область опережений кривой реактивности Dro-
sophila, снятой с помощью световых вспышек, вполне естественны коли-
чественные различия для трех указанных на фиг. 14 случаев. Однако даже
в первом приближении сложность системы при такого рода двойном действии
однократного сигнала сильно возрастает. Пока мы не узнаем, как возникают
сдвиги фазы обоих знаков и как они взаимодействуют, мы не сможем даже
качественно предсказать, каким будет чистый эффект продолжительного
294
К. Питтендрай
сигнала. Это двойное действие является причиной очевидных трудностей,
связанных с использованием сдвигов фазы для измерения спектра действия.
Пытаясь представить себе, как мог бы действовать свет, мы сразу стал-
киваемся с двумя возможностями; о них здесь стоит сказать, так как одна
из возможностей, по крайней мере для Drosophila, сразу исключается.
1. Свет оказывает некоторое продолжительное воздействие на один
из основных параметров колебаний. Его действие в некотором смысле ана-
логично непрерывному изменению сопротивления колебательного контура
в течение значительной части периода.
2. Свет эффективен только в моменты включения и выключения. В этом
случае два перехода (от света к темноте и от темноты к свету) действуют
как более или менее дискретные внешние возмущения. Конкретной моделью
для этого случая могут служить реакции фоторецепторов, наблюдаемые
у различных многоклеточных животных. Начало продолжительного свето-
вого сигнала сопровождается быстро затухающим разрядом «включения».
Вслед за этим освещенный препарат находится в состоянии покоя, из кото-
рого его выводит конец сигнала: происходит разряд «выключения».
Представление о непрерывном воздействии светового сигнала привле-
кательно тем, что на его основе чистый эффект продолжительного светового
сигнала можно приблизительно оценивать по площади под участком кривой
реактивности, соответствующим сигналу. Для 12- и 4-часовых сигналов
подсчет приводит к правдоподобным оценкам наблюдаемых реакций; в духе
изложенных представлений получается прекрасная модель фазовой синхро-
низации. Суммируя площади под участками задержек и опережений кривых
для Drosophila и Glaucomys, мы можем «предсказать» эффект непрерывного
освещения, совместимый с правилом Ашоффа. Однако некоторые данные,
полученные недавно в нашей лаборатории (о них здесь уже упоминал Брюс
[9]), заставляют нас все же считать эту гипотезу неверной. Кроме того,
против этой гипотезы говорит эксперимент, проведенный специально для
ее проверки (его результаты представлены на фиг. 17). 19 отдельных куль-
тур Drosophila выращивались в условиях СТ 12 : 12, после чего наблюда-
лись их свободные колебания в темноте. В последний день перед переходом
к темноте каждая из культур подвергалась действию разных световых
сигналов. Последний рассвет для всех культур наступал одновременно
в обычное время (такое же, как на протяжении всего СТ-режима), но затем
свет выключали в разные моменты времени; после этого животные находи-
лись в постоянной темноте. Таким образом, длительность последнего све-
тового периода в каждом случае была различной. Согласно гипотезе непре-
рывного воздействия, разные световые периоды должны давать неодинако-
вый чистый эффект, который можно оценить по суммарной площади под
соответствующим каждому периоду участком кривой реактивности. Очевидно,
такой подход дает нам в лучшем случае очень грубую оценку, но качествен-
ные предсказания на его основе должны быть достаточно определенными.
Например, 21-часовой световой период должен сдвигать фазу свободного
ТТ-ритма вправо, но в меньшей степени, чем 18-часовой, так как в 21-часо-
вой световой период попадает значительная часть участка опережений,
а 18-часовой сигнал его не затягивает. Результаты эксперимента достаточно
ясны: гипотеза неверна. К сдвигу фазы вправо приводит любое увеличение
светового периода выше 12 час, причем новая фаза всегда сдвинута вправо
от момента перехода свет — темнота на величину 1/г-(—24) + 15] час.
Таким образом, этот переход (на что указывают и другие эксперименты)
служит абсолютным фазосдвигающим агентом, который целиком определял
бы фазу ритма, если бы в последующие 24 час за ним не следовал переход
Циркадные ритмы и циркадная организация живых систем.
295
от темноты к свету. Оба перехода некоторым образом взаимодействуют
между собой; устойчивое состояние, возникающее в результате такого
взаимодействия, сильно зависит от фазового угла между переходами.
Короче говоря, фаза устойчивого состояния зависит от длины светового
периода. Только тогда, когда мы будем точно знать, каким образом эти
переходы действуют и взаимодействуют, мы сможем правильно связать
Ф и г. 17. Экспериментальное доказательство неправильности гипотезы непрерывного
действия света.
График показывает также, что переход от света к темноте для световых периодов более 12 час
является абсолютным фазозадающим агентом, определяющим фазу последующего устойчивого со-
стояния. Все подопытные культуры были выращены в режиме СТ 12 : 12 (см. текст).
На левой стороне фигуры и ордината и абсцисса соответствуют 24 час. Ордината измеряет
последний световой период перед переходом к темноте. По кривой реактивности для вспышек,
воспроизведенной на этом графике, можно оценить общий сдвиг фазы, к которому должен бы при-
вести последний световой период. Ожидаемый качественный результат изображен пунктирной
линией на правой части фигуры. Обратите внимание на изменение хода фазовой кривой после
19-часового светового периода, когда начинает увеличиваться влияние участка опережений. Чер-
ные кружки соответствуют наблюдаемым фазам устойчивого состояния; результаты ясно свиде-
тельствуют против гипотезы непрерывного действия.
кривые реактивности для продолжительных сигналов и для вспышек
и вывести отсюда количественную теорию затягивания ритмов, объясняю-
щую зависимость фаз от длины светового периода.
ОБЩИЕ ПРОБЛЕМЫ
«С ЧАСАМИ ВЗДОР СЕЙ СВЯЗАН КАК,
МОЙ ДРУГ?»
Уолтер де ля Мар, «Крылатая
колесница»
Немецкий врач Вильгельм Гюфеланд в 1798 г. написал книгу об искус-
стве продления жизни. Среди прочих вещей он советует следовать еванге-
листу Джону Уэсли, от которого, должно быть, берет начало старая пого-
ворка: «Рано в кровать, рано вставать — будешь здоровым». Гюфеланд как
бы предвидел наши проблемы; помимо не совсем четких указаний, из кото-
296
К. Питтендрай
рых следует, что он догадывался о напряжениях, возникающих в резуль-
тате нерегулярного затягивания, мы находим у него цитируемое Тинеман-
ном [38] положение, которое относится к самой сути последних дискуссий:
«Двадцатичетырехчасовые периоды ... служат как бы единицей отсчета
в нашей естественной хронологии». Содержащееся здесь утверждение было
далее подтверждено блестящими работами немецких натуралистов — Фриша,
Крамера и их учеников,— которым мы обязаны поистине замечательным
открытием, что пчелы и птицы (и, как уже известно, многие другие мно-
гоклеточные) могут распознавать время суток по внутренним часам, ход
которых в основном связан с 24-часовыми колебаниями. До 1950 г. многие
биологи — Пфеффер, Бюннинг, Калмус и особенно Клейтман — видели
в явлениях, связанных с суточными ритмами, проблемы первостепенной
важности. Однако литература последних 10 лет приписывает главную роль
в возрождении интереса к проблемам суточных ритмов целиком открытию
ориентации по солнцу с поправкой на время. Как мы с Брюсом уже указы-
вали [4], биолог, занимающийся проблемами эволюции, не может согла-
ситься с тем, что «часы» возникли внезапно, de novo, у членистоногих
и позвоночных. С его точки зрения, должны существовать более простые
предшественники; и, даже не зная предположений Гюфеланда, он приходит
к выводу, что колебания, посредством которых измеряется время, нужно
искать среди суточных ритмов. В результате суточные ритмы рассматри-
ваются не иначе как биологические часы, что и явилось главной причиной,
по которой в последние 10 лет основной общей закономерностью в области
ритмов считается компенсация обусловленных температурой изменений
периода, функционально необходимая для хороших часов.
Некоторым из нас, увлеченным этой стороной циркадных ритмов,
компенсация температурных эффектов представляется из ряда вон выхо-
дящим явлением; она никак не согласуется с хорошо установленной темпе-
ратурной зависимостью клеточных процессов. Для некоторых исследова-
телей она до сих пор является главной загадкой, и этим в какой-то степени
объясняются попытки Брауна искать ответ в контроле со стороны неизвест-
ных геофизических процессов. Этим же частично объясняются те приятные
надежды, которые вначале были у нас с Брюсом [2, 4], когда мы были почти
уверены, что все биологические часы управляются одинаковым механизмом.
И в самом деле, механизм компенсации температурных эффектов, с большим
трудом доставшийся первым клеткам, должен был сохраниться в живых
системах в течение всего эволюционного развития. Конечно, и в том и в дру-
гом случае поиски решений идут в совершенно неверном направлении.
Появившаяся недавно статья Буркхардта [39] о температурных свойст-
вах рецепторов рака, реагирующих на растяжение, напоминает нам, что
для очень многих сторон деятельности данной живой системы должна суще-
ствовать компенсация температурных эффектов, что и поддерживает ее
организацию в столь широких пределах изменений температуры. У нас нет
оснований считать очевидным предположение о частотной модуляции
передающихся по нервам сигналов; во всяком случае, нам не позволяют
так считать явления компенсации температурных эффектов. Действительно,
если в чувствительном органе собственная частота не будет постоянной
при различных температурах, то ничего, кроме температуры, такой орган
воспринимать не будет. Я вовсе не хочу сказать, что компенсацию темпе-
ратурных эффектов нельзя относить к первостепенным проблемам. Я лишь
хочу подчеркнуть, что в этом отношении циркадные ритмы нельзя заранее
считать уникальными; об этом свидетельствуют и экспериментальные дан-
ные. Компенсация температурных эффектов может осуществляться очень
Циркадные ритмы и циркадная организация живых систем
297
сложным способом, но этот способ, несомненно, использовался организмами
во все времена и самыми различными путями, пронизывая все стороны
жизнедеятельности.
Следовательно, температурные соотношения сливаются со всеми уже
обсуждавшимися свойствами циркадных ритмов; вместе взятые, эти свой-
ства фокусируют наше внимание на общих проблемах, в основе которых
лежит главный объект наших исследований — циркадная организация.
Физиологические явления, лежащие в основе циркадных ритмов
хомяка, дрозофилы и эвглены, очевидно, связаны с системами, строение
которых совершенно различно. Поразительное сходство, которым они обла-
дают, должно объясняться конвергентной эволюцией и возникло в связи
с требованиями согласования внутренней временной организации процес-
сов с временной организацией среды, общими для всех видов. Степень и регу-
лярность суточных изменений в окружающей среде тоже слишком быстро
воспринимается как нечто само собой разумеющееся. По существу здесь
мы имеем дело с интенсивным и постоянно действующим фактором отбора,
действие которого испытали на себе если не все, то большинство видов.
Еще предстоит выяснить, можем ли мы говорить о полном отсутствии цир-
кадных систем у арктических, пещерных и глубоководных форм. Есть
некоторые основания ожидать, что циркадные системы будут найдены
и в этих организмах — но здесь опять я занимаюсь рискованными эволю-
ционными предсказаниями. Я имею в виду, что сравнительно недалекие
предки многих указанных видов в большей мере подвергались эффектам
земного вращения; кроме того, выработанная в результате естественного
отбора циркадная организация должна выполнять более широкие временные
функции, чем лишь согласование ритма с колебаниями во внешней среде.
Организация в живых системах включает в себя организацию во времени
совершенно независимо от периодичности внешних изменений; наличие
колебаний в каждой изучаемой системе может отражать участие циркадной
организации в общем временном согласовании отдельных подсистем. Если
это так, то даже в пещерах и на больших глубинах, куда влияние периоди-
ческих изменений среды почти не проникает, трудно обойтись без циркадной
организации. В этом случае изучение циркадной организации — в особен-
ности по отношению к возможным рассогласованиям в системах — приоб-
ретает еще большее значение. Вместе с тем постоянное селективное дейст-
вие циркадной организации, столь продолжительное и распространённое,
не оставляет надежд на то, что конкретный механизм циркадных колебаний
одинаков для всех организмов.
Совершенно ясно, например, что он носит совершенно особый характер
для колебаний, названных выше В-колебаниями; еще совсем недавно [7]
мы надеялись, что общий конкретный механизм лежит в основе всех свето-
чувствительных колебаний, однако и для этого не остается почти никаких
оснований. Наши надежды были основаны на четко выраженной кривой
реакции Drosophila на однократные световые сигналы, характер которой
сохранялся и в других случаях; кроме того, нам не удавалось обнаружить
адаптационной роли подобных кривых. Можно было бы видеть здесь не что
иное, как еще один пример конвергенции, возникшей в ходе естественного
отбора. Однако этому противоречит изложенная выше качественная теория
затягивания. Изменение ритма под влиянием световых сигналов играет
адаптационную роль, причем оказывается, что характер хода кривой этих
изменений (только он и повторяется для разных видов) иным и не может
быть. Какой бы ни была форма кривой, устойчивое равновесное состояние
может быть обеспечено только утренним сдвигом фазы вперед и вечерней
298
К. Питтендрай
задержкой фазы. Если бы утром имела место задержка фазы, кривая непре-
рывно сдвигалась бы вправо, пока ее участок задержек не попал бы в тем-
новую область или пока последующий участок (участок опережений) не
попал бы в световую область. Только после этого фаза системы перестала
бы меняться.
Пожалуй, еще остается надежда на то, что все неудачи в поисках общей
конкретной системы ограничиваются только многоклеточными системами,
а в отдельных клетках удастся найти общее для всех часов «колесико» или
установить, что они сами являются таким «колесиком». Пока ничего сказать
нельзя. Все, что мы знаем в настоящее время, заключается в том, что
циркадные ритмы простейших аналогичны по форме ритмам многоклеточ-
ных; и это формальное сходство — величина врожденного циркадного пери-
ода, компенсация температурных эффектов и характер кривой реактивности
для световых сигналов,— как мы знаем, связано с требованиями естествен-
ного отбора безотносительно к тому, как они выполняются. Тем не менее,
если все наши проблемы и направления собрать воедино, то нельзя отри-
цать, что работы на отдельных клетках и простых тканевых культурах
ведут к значительному прогрессу. Химический подход пока не дал сущест-
венных результатов, несмотря на многочисленные попытки Гастингса
и других авторов, о которых нам здесь рассказывал сам Гастингс [40].
После примерно такого же количества отрицательных результатов мы с Брю-
сом [41] очень обрадовались, когда обнаружили, что циркадные системы
все же поддаются химическим воздействиям; фаза Euglena может быть
сдвинута под влиянием D2O. После адаптации Euglena к тяжелой воде,
в результате чего по крайней мере часть водорода в клетках, по-видимому,
замещается на дейтерий, свободный ритм протекает со значительно более
низкой частотой, чем в Н2О. О чем это говорит, сказать пока трудно. Ука-
зание Эрета [42] об участии нуклеотидов в работе биологических часов
является более обещающим, так как оно связывает механизм часов с сис-
темами, которыми в конечном счете определяется метаболизм. Но даже
если предположение Эрета будет строго доказано, мы не знаем, каким дол-
жен быть следующий шаг. Поиски индивидуальных часов, «расположенных»
в клетке, видимо, бесполезны; такие поиски прежде всего основаны на
недостаточно аккуратной терминологии. Мы имеем право только говорить,
что клетка «представляет собой» часы, так как не знаем, могут ли поддержи-
ваться автономные циркадные колебания на более низком уровне организа-
ции (например, митохондрии в этом отношении еще не изучены). Здесь
мы опять возвращаемся к проблемам организации. Индивидуальный кле-
точный ритм компенсирован в отношении температуры, и, если объяснение
такой компенсации связано с внутриклеточной организацией, наши поиски
изолированного часового механизма внутри клетки будут напрасны.
Но если мы одновременно прекратим поиски подлинного смысла утвержде-
ния Гюфеланда, что 24-часовой период является единицей биологической
хронологии, мы тем самым откажемся от решения одной из наиболее важ-
ных, по утверждению Нидхэма, биологических проблем — проблемы орга-
низации.
Много лет назад Бюннинг опубликовал работу [43], в которой предпо-
ложил, что фотопериодический эффект осуществляется через посредство
эндогенного ритма (тогда считали, что в организме существует один опреде-
ленный эндогенный ритм). К этому основному предположению Бюннинг
добавил дополнительную гипотезу о том, как это могло бы происходить.
В ней постулировалось существование особой темнолюбивой (скотофильной)
фазы ритма. Фотопериодический эффект, подобно наступлению цветения,
Циркадные ритмы и циркадная организация живых систем
299
проявляется в зависимости от того, освещается или нет организм во время
скотофильной фазы ритма. Мне представляется, что это предположение было
сделано еще до того, как фотопериодическая проблема получила толкование
как проблема «часов». Сегодня мы считаем способность организмов к изме-
рению времени (например, измерение продолжительности дня или ночи)
достаточным основанием, чтобы говорить об участии в этом процессе «вну-
тренних часов». Вряд ли уместно здесь напоминать, что работа Бюннинга
почти не встретила поддержки у его коллег-ботаников; не будем также пыта-
ться понять, почему его ученики-зоологи никогда даже не обсуждали эту
гипотезу, по крайней мере в опубликованных работах, или пробовать оце-
нить гипотезу Бюннинга в свете существующих данных. Я затронул здесь
этот вопрос в связи с тем, что хочу попытаться сделать возможно более
ясным предположение, согласно которому для измерения времени служит
циркадная организация как таковая (а не некое дискретное физическое
образование) и она же лежит в основе разнообразных явлений, которые
мы чаще всего имеем в виду, когда употребляем слово «часы». Фотоперио-
дизм является наиболее удобным для моей задачи примером; несколько
более дальними примерами могут служить чувство времени у пчел и ориен-
тация животных по солнцу.
Моя попытка основана на фиг. 4 и 16 этой статьи. Во-первых, фиг. 16
напоминает нам (как более подробно показал Ашофф 144]), что фаза устой-
чивого состояния циркадной системы сильно зависит от длины светового
периода. Для Drosophila раньше это не было очевидным; и надо признать,
другие исследователи, занимавшиеся ритмами, при обсуждении гипотезы
Бюннинга не подчеркивали в достаточной мере это безусловно центральное
положение. Таким образом, измерение светового периода циркадными
системами является фактом и не может оспариваться; заключение, согласно
которому фаза циркадной системы есть «мера» светового периода, имеет рав-
ные логические основания с утверждением, что «мерой» светового периода
служит наступление цветения или нарушение диапаузы. По каким-то непо-
нятным причинам фазовая синхронизация ритмов условно не включается
в пестрый набор явлений, относимых к фотопериодизму (в узком смысле).
Единственный правомерный вопрос, связанный с гипотезой Бюннинга,
заключается в следующем: имеет ли индивидуальный организм одно или
несколько приспособлений для оценки одного и того же параметра среды,
используемого организмом в разных целях? Предположение, что у орга-
низма имеется только одно такое приспособление, по существу совпадает
с гипотезой Бюннинга, высказанной в 1936 г. Но мне бы не хотелось при-
бегать к специальной гипотезе о темнолюбивой стадии; поэтому я формули-
рую это предположение следующим образом: фотопериодические эффекты
(в узком смысле) представляют собой проявление механизма затягивания
ритмов циркадных систем; равновесный результат затягивания колебаний
системы является характеристически разным состоянием для каждого
светового периода; состояния циркадных систем при длине светового пери-
ода, отличной от критической, резко различаются, отражая разрывный
характер реакционного механизма. С одной стороны критического светового
периода фазовые соотношения между составляющими колебательными эле-
ментами допускают определенную последовательность реакций, а с другой —
фазовые соотношения получаются совершенно иными и указанный метабо-
лический путь закрывается.
Вернемся к фиг. 16. Поразительная зависимость фазы от длины свето-
вого периода резко изменяется, начиная примерно с 16-часового светового
периода. Далее фаза постепенно сдвигается ближе к рассвету. Но изменение
300
X. Питтендрай
в реакции влияет не только на «фазу» системы, в простом понимании этого
слова — оно проявляется в том, что начинает снижаться эффективность затя-
гивания; уже с 20-часового светового периода начинает проявляться апе-
риодичность, которая в полной мере характеризует поведение системы в усло-
виях непрерывного освещения. Характер свободных колебаний системы
после перехода к темноте указывает также, что затягивание светом не просто
устанавливает фазу колебания, не влияя на форму и характер колебаний.
До установления нового устойчивого состояния наблюдаются удивительные
переходные процессы, продолжительность которых зависит от длины све-
тового периода. Фаза нового устойчивого состояния существенным образом
отличается от фазы предыдущего устойчивого состояния, причем это отли-
чие также определяется длиной светового периода. Устойчивое состояние
в действительности представляет собой динамическое равновесие много-
осцилляторной системы, достигнутое в ходе ее реакций на противоположно
направленные возмущения, связанные с утренним и вечерним переходами.
Сделанный нами вывод о том, что затягивающими сигналами светового
цикла являются утренние и вечерние переходы, приобретает теперь особое
значение. Изменение длины светового периода есть изменение фазового угла
между затягивающими сигналами. Мы знаем, что при взаимодействии двух
затягивающих сигналов, одновременно влияющих на колебательную сис-
тему, фаза колебания будет не только чувствительна к фазовому углу между
сигналами, но ее изменение обязательно будет носить резко разрывный
характер. Фиг. 4 может служить моделью для иллюстрации возникающих
возможностей. На ней изображены фазы ритмов дрозофилы и таракана
как функция фазового угла между световым и температурным циклами.
Характерно, что по достижении фазой критической величины наблюдается
скачок фазы на 180°. Химические колебания в клетке, прямо или косвенно
связанные с рассветом и сумерками — предполагаемыми датчиками времени,
должны были бы реагировать аналогичным образом; после превышения
критического светового периода скачок фазы, свойственный этому случаю,
мог бы открыть ранее невозможные пути метаболизма. Естественно, что
последовательность реакций не может идти, если какое-либо существенное
звено сдвинуто по фазе относительно предыдущего на 12 час, как только это
расхождение будет компенсировано, реакции пойдут дальше. В такого типа
модели часы не являются дискретным объектом. Измерение времени (изме-
рение последовательных фиксированных временных интервалов) осущест-
вляется здесь посредством реакций, внутренне присущих динамике циркадной
системы.
Создается впечатление несколько странной ситуации: те, кто изучает
ритмы, жалуются на отсутствие общего конкретного механизма, который мог
бы связать воедино изучаемую область; те, кто изучает фотопериодизм насе-
комых, уверяют, что их система (включая глаза и эндокринные железы)
имеет только формальное сходство с системой, через посредство которой
фотопериод влияет на наступление цветения. Однако и те и другие ошибают-
ся в том смысле, что во всех циркадных и фотопериодических системах общие
механизмы действительно существуют, хотя отдельные их элементы
в разных конкретных системах различны. Мы вправе считать их общими
в силу общности тех принципов, которыми обеспечивается связь между
отдельными подсистемами и их взаимное затягивание. Эта общность прояв-
ляется в том, каким образом поддерживается временная организация внутри
всего организма, в том, каким образом системы связаны с многочисленными
периодическими изменениями среды, и, наконец, в том, каким образом суще-
ствование критического фазового угла между внешними периодическими
Циркадные ритмы и циркадная организация живых систем
301
изменениями обепечивает возможность измерения по крайней мере времен-
ных интервалов. Короче говоря, перспектива нахождения столь желатель-
ных общих механизмов будет безрадостна только до тех пор, пока мы будем
поглощены деталями и не обратимся к нашей главной задаче — к выяснению
организационных особенностей живых систем.
ЛИТЕРАТУРА
1 Pittendrigh С S, On temperature independence in the clock system
controlling emergence time in Drosophila, Proc Nat Acad Sci , 40, 1018—1029
(1954)
2 Bruce V G,Pittendrigh C S, Endogenous rhythms in insects and micro
organisms, Amer Naturalist, 91, 179 —195 (1957)
3 Pittendrigh C S, Perspective in the study of biological clocks, p 239—
268 Symposium on Perspectives in Marine Biology, Berkeley, Calif , Uni\
of Calif Press, 1958
4 Pittendrigh C S, Bruce V G,An oscillator model for biological clocks
p 75—109 Rhythmic and Synthetic Processes in Growth, ed Rudnick Princeton
Princeton Univ Press , 1957
5 Pittendrigh C S , В i uce V G Daily rhythms as coupled oscillator
systems and their relation to thermoperiodism and photoperiodism, p 475—505
Photoperiodism and Related Phenomena in Plants and Animals, ed Withrou,
Washington, A A A S , 1959
6 Needham J, Integrative Levels, A Revaluation of the Idea of Progress, Oxford
Univ Press, 1937
7 Pittendrigh C S , В г uce V G , К a u s P,On the significance of tran
sients in daily rhythms, Proc Nat Acad Sci , 44, 965—973 (1958)
8 Pittendrigh C S, Adaptation, natural selection and behavior, p 390—416
Behavior and Evolution, ed A Roe and G G Simpson, Yale Univ Press, 1958
9 Bruce V G, Cold Spring Harbor Symp on Quant Biol Vol 25, 1960
10 Roberts S K, Circadian Acitivity Rhythms in Cockroaches Ph D Thesis
Princeton University, 1959
11 Harker J E, Internal factors controlling the suboesophageal ganglion neuro
secretory cycle in Penplaneta amencana L, J Exp Biol , 37, 164 —170 (1960)
12 Brown F A, Jr, Webb H M, Studies of the daily rhythmicity of the fiddler
crab Uca Modifications by light, Physiol Zool XII, 136—148, 1949
13 Halberg F, Physiologic 24-hour periodicity in human beings and mice, the
lighting regimen and daily routine, p 803—878 Photoperiodism and Related
Phenomena in Plants and Animals, ed Withrow, Washington, A A A tS , 1959
14 EnderleW, Tagesperiodische Wachstums und Turgorschwankungen in Gewebe
kulturen, Planta (Berl ), 39, 530—588, 1951
15 Bunning E, Das weiterlaufen der «physiologischen Uhr» im Saugerdarm ohne
zentrale Steuerung, Naturwissenschaften, 45, 68 (d) (1958)
16 Bruce V G, Pittendrigh C S, Temperature independence in a unicel
lular «clock», Proc Nat Acad Sci , 42, 676—682 (1956)
17 Hastings J W, Unicellular clocks Ann Rev of Microbiol , 13, 297—312
(1959)
18 Нире К , Gr op p A, Uber den zeitlichen Verlauf der Mitoseaktivitat in Gexve
bekulturen, Z Zellforsch , 46, 67—70 (1957)
19 Rawson К S, Experimental modification of mammalian activity rhythmas,
p 791—800 Photoperiodism and Related Phenomena in Plants and Animals,
ed Withrow, Washington, A A A S , 1959
302
К. Питтендрай
20. М е п а к е г М., Endogenous rhythms of body temperature in hibernating bats,
Nature, 184, 1251 — 1252 (1959).
21. L о b b a n M., Cold Spring Harbor Symp. on Quant. Biol. Vol. 25, 1960.
22. Harker J. E., Experimental production of midgut tumors in Periplaneta ameri-
cana L, J. Exp. BioL, 35, 251 (1958).
23. Harker J. E., Factors controlling the diurnal rhythm of activity of Periplaneta
americana L., J. Exp. Biol., 33, 224 (1956).
24. Arthur J. M., H a r v i 1 1 E. K., Plant growth under continuous illumination
from sodium vapor lamps supplemented by mercury arc lamps, Contribs. Boyce
Thompson Inst., 8, 433—443, 1937.
25. Hillman W. S., Injury of tomato plants by continuous light and unfavorable
photoperiodic cycles, Am. J. Bot., 43, 89—96 (1956).
26. Bruce V. G., Cold Spring Harbor Symp. on Quant. Biol. Vol. 25, 1960.
27. H i g h к i n H. R., Cold Spring Harbor Symp. on Quant. Biol. Vol. 25, 1960.
28. W e n t F. W., Plant growth under controlled conditions. II. Thermoperiodicity
in growth and fruiting of the tomato, Am. J. Bot., 31, 135—140 (1944).
29. H i g h к i n H. R., H a n s о n L. B., Possible interaction between light-dark
cycles and endogenous daily rhythms on the growth of tomato plants, Plant Physi-
ol., 29, 301—302 (1954).
30. Went F. W., Cold Spring Harbor Symp. on Quant. Biol. Vol. 25, 1960.
31. Burchard J. E., Re-setting a Biological Clock, Ph. D. Thesis, Princeton
University, 1958.
32. D e С о u r s e у P. J., Daily Acitivity Rhythms in the Flying Squirrel, Glauco-
mys volans, Ph. D. Dissertation, Univ, of Wisconcin, 1959.
33. D e С о u r s e у P. J., Daily light sensitivity rhythm in a rodent, Science, 131,
33—35 (1960).
34. D e С о u r s e у P. J., Cold Spring Harbor Symp. on Quant. Biol. Vol. 25, 1960.
35. Bruce V. G., P i t t e n d r i g h C. S., Resetting the Euglena clock with a single
light stimulus, Amer. Nat., XCII, 295—306 (1958).
36. Hastings J. W-, Sweeney В. M., A persistent diurnal rhythm of lumines-
cence in Gonyaulax polyedra, Biol. Bull., 115, 440—458, 1958.
37. Ehret C. F., Cold Spring Harbor Symp. on Quant. Biol. Vol. 25, 1960.
38. H ii f el a n d W., Makrobiotik, quoted in Thienemann, A. F. 1956, Leben und
Umwelt, Rowohlt, Hamburg (1798).
39. Burckhardt D., Die Erregungsvorgange sensibler Ganglien zellen in Abhangig-
keit von der Temperatur, Biol. Centralbl., 78, 22—62 (1959).
40. Has in g s J. W., Cold Spring Harbor Symp. on Quant. Biol. Vol. 25, I960.
41. Bruce V. G., Pittendrigh C. S., The effects of heavy water on the circadian
phototactic rhythm on Euglena, In ms., 1960.
42. Ehret C. F., Cold Spring Harbor Symp. on Quant Biol. Vol. 25, 1960.
43. В ii n n i n g E., Die endonome Tagesrhythmik als Grundlage der photoperiodi-
schen Reaktion, Ber. dtsch. bot. Ges., 54, 590—607 (1936).
44. Aschoff J., Cold Spring Harbor Symp. on Quant. Biol. Vol. 25, 1960.
45. A s c h о f f J., Frequenzanderung der Aktivitatsperiodik bei Mausen im Dauerdun-
kel und Dauerlicht. Pfluger’s Arch., 255, 197—203, 1952.
46. Aschoff J., Tierische Periodik unter dem Einfluss von Zeitgebern, V. Tierpsy-
chol., 15, 1—30 (1958).
47. В ii n n i n g E., Die Physiologische Uhr, Berlin, Springer (1958).
48. Brown F. A., Jr., Cold Spring Harbor Symp. on Quant. Biol. Vol. 25, I960
49. A s c h о f f J., Angeborene 24-Stunden-Periodik beim Kucken, Pfluger’s Arch.,
260, 170—176, 1954.
50. Hoffmann K-, Angeborene Tagesperiodik bei Eidechsen, Naturwiss., 44,
359—360 (1957).
Циркадные ритмы и циркадная организация живых систем 303
51. Wasserman L., Die Auslosung endogen-tagesperiodischer Vorgange bei Pflan-
zen durch einmalige Reize, Planta, 53, 647—669 (1959).
52. Rawson K-, Homing Behavior and Endogenous Activity Rhythms, Ph. D.
Thesis, Harvard University, 1956.
53. Sweeney B.,|H a'st ings J. W., Cold Spring Harbor Symp. on Quant. Biol.
Vol. 25 (1960).
54. В г о w n F. A.,j Jr. Living clocks. Science, 130, 1535—1544, 1959.
55. Pittendrigh C. S., Bruce V. G., Unpublished experiments.
ОБСУЖДЕНИЕ ДОКЛАДА
Браун. Мне бы хотелось указать на необходимость тщательного
разграничения между гипотезами и фактами. Несмотря на многочисленные
уверения, мы пока еще не имеем логически строгого доказательства того,
что в часах, определяющих циркадные ритмы, измерение времени основано
на каком-то устойчивом колебании, не зависящем от непрерывного потока
периодической информации со стороны геофизического окружения.
Такое доказательство наталкивается на серьезное затруднение, так как
никогда нельзя быть уверенным на основе одних лишь негативных утверж-
дений, что не осталось ничего, что могло бы присылать временные сиг-
налы извне. У нас нет достаточных оснований считать, что циркадные коле-
бания объясняются одним только затягиванием со стороны совершенно
независимых колебаний той же частоты. Опасность такого необоснованного
предположения особенно очевидна теперь, когда мы знаем, что изменения
фазы нельзя никакими способами отличить от изменений частоты. В эти
два дня мы в должной мере осознали легкость, с которой в организмах
происходят сдвиги фазы, а также то, что период свободных колебаний
является функцией энергетических уровней двух основных определяющих
фазу факторов — света и температуры. Отсюда вытекает очевидный способ
модуляции частоты организма любым периодическим энергетическим воз-
действием, аналогичный обычным реакциям на раздражение. Традицион-
ный и пока весьма успешный подход к физиологическим проблемам состоит
в том, чтобы вначале исчерпать все возможные причинно-следственные
эффекты и только затем говорить об автономии наблюдаемых явлений.
Для доказательства существования внутренней системы измерения
времени мы должны искать какие-то позитивные методы, которые позволили
бы в конце концов найти конкретный биологический механизм измерения
времени. Мы должны показать, что его операциональные свойства допус-
кают полностью автономное измерение времени и что он обеспечивает ход
ритмов, обладающих всеми описанными свойствами циркадных ритмов.
Никто не сомневается, что организмы имеют наследуемую систему, которая
играет роль часов. Но беспрекословная уверенность в самостоятельности
и полной автономности «живых часов» всегда таит в себе возможность того,
что мы охотимся за призраком.
Питтендрай. Д-р Браун высказал целую серию утверждений,
но я прокомментирую только некоторые из них; чтобы обсудить их все в той
мере, в какой бы мне хотелось, мне пришлось бы затратить гораздо больше
времени, чем это позволено. Я остановлюсь только на двух последних пред-
ложениях; очевидно, мы все—включая теперь и д-ра Брауна — согласны,
что «организмы имеют наследуемую систему, которая играет роль часов».
Остается сказать несколько слов о последнем утверждении. Положение
с призраком простое: либо он является нам в образе организации живых
304
К. Питтендрай
систем, либо его роль играет неизвестная геофизическая переменная.
Мое представление о призраках подсказывает мне, что имеет место послед-
нее, но, как ученый, я должен согласиться, что д-р Браун, возможно, прав;
д-р Браун, как ученый, несомненно, согласится, что и он может оказаться
неправым. В любом случае мы оба получим некоторое удовольствие.
С и р о х и. Мне бы хотелось еще раз остановиться на роли рассвета
и сумерек, о которой здесь говорил Питтендрай. Если рассматривать
ее по отношению к фотопериодическим явлениям, то рассвет и сумерки ока-
зываются теми двумя точками, которые определяют продолжительность
светового периода, начинающегося с рассвета и кончающегося сумерками.
Здесь можно вспомнить, что в сообщении о более ранеей своей модели био-
логических часов (симпозиум в Гэтлинбурге, 1957 г.) Питтендрай не уделял
должного внимания продолжительности светового периода и интенсивности
света и, однако, пытался на основании этой модели интерпретировать резуль-
таты Вента, Хиллмена и Хайкина. При такой интерпретации нужно под-
робнее рассмотреть данные по влиянию светового периода на цветение,
которые положены в основу гипотезы Бюннинга.
Питтендрай привел некоторые очень интересные результаты, которые
указывают, что затягивание разными световыми циклами дает некоторый
остаточный эффект, который может проявляться в постоянных условиях.
В одной из последних работ по фотопериодизму с меняющейся длитель-
ностью световых циклов (см. статью Хамнера) показано, что эффективность
определенного светового периода в смысле влияния на переход растений
к цветению зависит от полной продолжительности цикла. Я понимаю, что
ритм вылета у Drosophila и ритмы, с которыми связано цветение растений,
имеют разные характеристики. Тем не менее фотопериодические реакции
на искусственные циклы убедительно говорят о том, что исследования, посвя-
щенные этим циклам, очень важны для объяснения затягивания ритмов.
Я, как и Клоттер, придерживаюсь того мнения, что модель биологи-
ческих часов должна соответствовать максимально возможному числу био-
логических реакций, относящихся к ритмическим явлениям. Поэтому при
выдвижении любой такой модели необходимо должным образом учитывать
явления фотопериодизма и реакцию цветения.
Питтендрай. Интерпретация результатов Вента, Хиллмена
и Хайкина, данная мной и Брюсом в нашей работе 1959 г. (ссылка [5] в ос-
новном списке литературы), действительно относится к тому времени, когда
мы еще считали, что затягивание Л-колебаний у Drosophila определяется
только рассветом. Однако если внимательно проанализировать наши рас-
суждения, то окажется, что они не зависят от того, каким образом Л-коле-
бания затягиваются световым циклом. Результаты для циклов с периодом,
отличным от 24 час, образуют важную основу для всех исследований — в том
числе и наших с Брюсом,— посвященных явлению затягивания ритмов.
Харкер. Я бы хотела задать два вопроса. Во-первых, имеются
ли какие-нибудь данные о чувствительности к изменениям интенсивности
света у куколок или яиц Drosophila? Если такой чувствительности у них нет,
то некоторые переходные пики вылета могут принадлежать особям, не
получившим светового сигнала.
И второй вопрос. Имеются ли какие-либо данные в пользу того, что
эффект «рассвета» в Ваших фотопериодических экспериментах действи-
тельно связан с периодическим процессом? Я обнаружила, что у Periplaneta
примерно через 5 час после начала светового периода активность тормозится
независимо от длины светового периода. Если далее не наступал новый
«рассвет», эффект не повторялся; следовательно, он имеет непериодический
Циркадные ритмы и циркадная организация живых систем.
305
характер. Этот эффект может воздействовать на ритм активности самыми
разными способами в зависимости от стадии ритма, которой он соответст-
вует: в результате разной длине светового периода могут отвечать разного
типа реакции. Мне кажется, что точно так же может действовать на некоторых
животных наступление темноты; возможно даже, что в случае Drosophila
это еще вероятнее, чем действие рассвета.
Питтендрай. Относительно куколок известно, что они чувстви-
тельны к изменениям интенсивности света: ритм вылета может быть затя-
нут синусоидальными колебаниями интенсивности света, никогда не пони-
жающейся до полной темноты. Однако я не совсем понимаю, как это может
относиться к интерпретации переходных пиков, которую Вы предлагаете.
Переходные явления, на которые Вы ссылаетесь (см. фиг. Г, 5), возникают
под действием световых сигналов, налагающихся на ТТ-ритм; изменения
в интенсивности здесь вне всякого сомнения — они бесконечны. В любом
случае следует подчеркнуть, что можно с успехом анализировать переход-
ные процессы у Drosophila, несмотря на то что исследуемая система являет-
ся популяцией. Характер переходных явлений у Drosophila в точности
соответствует переходным явлениям, которые так четко проявляются на
многих отдельных животных, например на хомяках и т. д.
Можно привести несколько доказательств того, что взаимодействие
рассвета и сумерек влияет на периодический процесс в Drosophila. В этом
убеждает нас и фиг. 16; после наступления темноты наблюдаются переход-
ные колебания, продолжительность которых, так же как и сдвиг фазы
(свойства, характеризующие колебательную систему), меняется с измене-
нием фазового угла между рассветом и сумерками. Различие в результатах
неизбежно означает, что сумерки не являются единственным параметром
светового сигнала, определяющим затягивание ритма. Тот же вывод сле-
дует из того, что фазы свободных ритмов при длительности светового пери-
ода менее 12 час не лежат на прямой.
Де Курси. Д-р Питтендрай ясно указал на пластичность частоты
свободных ритмов активности и подчеркнул важную роль условий, пред-
шествовавших тем, в которых снимается кривая реакции организмов на одно-
кратные световые возмущения. Мы замечали подобную пластичность свобод-
ных ритмов отдельных организмов и при изучении эндогенного ритма
Glaucomys. Однако при изучении изменений ритмов эквивалентные точки
кривой, измеренные в далеко отстоящие один от другого моменты времени,
почти совпадали. По-видимому, кривая реактивности одинакова даже для тех
животных, которые в течение двухлетнего периода находились в различных
световых режимах.
Болл, Гарольд Дж. Я хотел бы остановиться на дейст-
вии видимого света на Oncopeltus Fasciatus (Dallas) и Blattella germa-
nica (L.).
Действие света на этот класс насекомых исследовалось различными
способами. Однако сведений о влиянии различных участков спектра имеется
очень мало. Это существенный недостаток, так как свет — это один из наи-
более важных раздражителей, помогающий насекомому принимать ту
морфологическую форму, какая для него в каждый данный момент наиболее
полезна.
Методы, материалы и техника эксперимента описаны нами ранее [1].
Опыты с Blattella germanica (L.): личинки В. germanica (L.) в возрасте
10—13 дней ежедневно в течение 10 мин облучали светом 750 лр (далекая
красная часть спектра). В остальное время дня пробирки с насекомыми
находились в условиях обычного комнатного освещения. Контрольная
306
К. Питтендрай
группа находилась в условиях комнатного освещения все время. Скорость
роста оценивали по результатам еженедельного взвешивания.
Результаты: в течение первых трех недель эксперимента разница в весе
между облученными насекомыми и контрольными была незначительна.
К концу 6-й недели все облученные насекомые погибли. Статистический
анализ среднего веса к концу пятой недели показал, что контрольные насе-
комые весили больше (при уровне значимости 5%). При облучении «далеким
красным» в течение 5 мин в день результаты получились примерно такими
же. Другой эксперимент показал, что тараканы, находившиеся в темноте,
к концу пятой недели весят больше контрольных животных (уровень зна-
чимости 5%).
Опыты с Oncopeltus Fasciatus (Dallas): в целом результаты эксперимен-
тов на О. Fasciatus аналогичны результатам опытов с тараканами. Однако
гибельным для животных оказалось и облучение красным светом (630 мр)
при продолжительности облучения 5, 10 и 20 мин в день. Контрольные
насекомые были тяжелее (при уровне значимости 1%) насекомых, облу-
ченных красным и «далеким красным» светом. Оба вида излучения замедля-
ли скорость развития личинок, значительно сокращали процент личинок,
достигавших имагинальной стадии, и значительно снижали вес взрослых
особей.
Выводы: наибольший ингибирующий эффект на выбранные для экспе-
римента виды оказывает длинноволновое излучение (красная и далекая
красная части спектра). Механизм, определяющий ингибирование роста,
пока остается предметом спекуляций. Еще в 1924 г. было высказано пред-
положение [2], что в дневное время видимый свет оказывает заметное влия-
ние на ткань центральной нервной системы. Позже было указано [1, 3],
что за описанный здесь тип ингибирования роста, возможно, полностью
ответственны срединные нейросекреторные клетки мозга.
ЛИТЕРАТУРА
1. В a I 1 Н. J., The effect of visible spectrum irradiation on growth and development
in several species of insects, Journ. Econ. Ent., 51, 573—578 (1958).
2. M a г с о v i t c h S., Migration of Aphididae and the appearance of sexual forms
as affected by the relative length of daily light exposure, Jour. Ag. Res., 27,
513—522 (1924).
3. Thomsen E., Functional significance of the neurosecretory brain cells and the
corpus cardiacum in the female blowfly, Calliphora erythrocephala Meig., Jour.
Exp. Biol., 29, 137—172 (1952).
к. КЛОТТЕР
Общие свойства колебательных
систем
о
1. ВВЕДЕНИЕ
В этой статье делается попытка дать такое описание некоторых основных
свойств колебательных систем, в котором особое внимание было бы уде-
лено фактам, существенным для биологических систем, и терминоло-
гии, которую используют биологи, имеющие дело с периодическими про-
цессами.
В разд. 2 рассматриваются автономные колебания, в разд. 3 — неав-
тономные. Эти две группы колебаний приблизительно соответствуют тому,
что биологи обычно называют соответственно эндогенными и экзогенными
колебаниями. В разд. 3 обсуждается также такое важнейшее явление,
как затягивание ритмов. Разд. 4 содержит некоторые замечания, касающие-
ся переходных явлений.
2. АВТОНОМНЫЕ СИСТЕМЫ
В теории колебаний системы или явления называются автономными,
если описывающие их дифференциальные уравнения не содержат в явном
виде времени t (однако t может входить и входит в уравнения под знаком
производной).
а. СВОБОДНЫЕ СИСТЕМЫ (СИСТЕМЫ, НЕ СПОСОБНЫЕ
К АВТОКОЛЕБАНИЯМ)
Простейший случай — это случай свободных систем, а простейший
пример таких систем — система, описываемая дифференциальным урав-
нением
г/ + ®2г/ = 0, (1)
решение которого имеет вид
у = Acosto^+ Bsinto^ (2а)
или
у = С sin (со/ + у). (26)
Уравнения (2) соответствуют периодическим, в частности синусоидальным
колебаниям. Колебания эти незатухающие, они продолжаются сколь угод-
но долго.
308
К. Клоттер
Частота <о (называемая собственной частотой) является характеристи-
кой системы. Амплитуда же С и фазовый угол -у зависят от того, каким
способом система была выведена из состояния покоя, и не являются харак-
теристиками системы.
Было бы неверно думать, что приведенное уравнение описывает какую-
либо реальную систему. На самом деле во всякой системе происходят поте-
ри энергии. Если энергия не восстанавливается, то колебания затухают.
Простой случай таких затухающих колебаний описывается дифференциаль-
ным уравнением
(2Dco) г/ +ш2г/= 0, (3)
которое имеет решение
у — Ae~Da)t sin (v^ + у), где v2 = w2 (1 — О2). (4)
Скорость затухания определяется постоянной времени — парамет-
ром!). Он связан с логарифмическим декрементом затухания О, т. е. лога-
рифмом отношения величин двух последовательных максимумов:
Связь между ними задается формулами:
D — - г . — или v = ,
/4л2 + О2 j/T —£>2
для D < 1
2л ’
(5)
(6а)
(66)
Из уравнения (5) можно определить, через сколько периодов амплитуда
колебаний уменьшится в р раз по сравнению с исходным значением. Это
число периодов п равно
1 In р
n~~D 2л ’
(7)
Автор широко применяет параметр D при описании моделей (см. сле-
дующую статью в настоящем сборнике). Поэтому полезно обсудить здесь
некоторые случаи влияния этого параметра на поведение системы.
б. СИСТЕМЫ, СПОСОБНЫЕ К АВТОКОЛЕБАНИЯМ
Если энергия, рассеиваемая в ходе цикла, восстанавливается каким-
либо (неспецифическим) способом за счет непериодического источника
энергии, то колебания остаются автономными. Такие колебания называ-
ются автоколебаниями (биологи называют их эндогенными колебаниями).
В этом случае как частота <о0, так и амплитуда Ао являются характеристи-
ками системы.
Существуют разные типы автоколебаний. Их можно различать по вели-
чине отношения количества энергии, рассеиваемой за один цикл, к полному
количеству энергии, колеблющейся в системе. Тогда на одном конце шкалы
будут находиться незатухающие колебания, на другом — релаксационные
колебания.
Пример незатухающих колебаний — колебания часового маятника.
В ходе каждого цикла к маятнику поступает очень малая порция энергии
Общие свойства колебательных систем 309
из непериодического источника — часовой пружины, и тем самым компен-
сируется потеря энергии при качании. Следовательно, амплитуда Ао уста-
навливается на постоянном уровне, а частота соо практически равна собст-
венной частоте свободного маятника. Кривая зависимости смещения от вре-
мени практически синусоидальна, как в случае свободных колебаний.
Авторы, работающие с биологическими системами, называют иногда соб-
ственную частоту автоколебательных процессов спонтанной частотой или вво-
дят понятие «свободный период» (free-running period).
Примером релаксационных колебаний может служить поведение элек-
трического конденсатора, который разряжается искровым разрядом или
через лампу тлеющего разряда и затем заряжается до исходного напряже-
ния от постоянного источника энергии до тех пор, пока очередная искра
не вызовет нового разряда. В этом случае в течение первой части цикла
вся энергия рассеивается, а в течение второй части ее необходимо восста-
навливать. Колебания (кривые зависимости тока или напряжения от вре-
мени) далеки от синусоидальных; они имеют скорее форму пиков. Однако
и теперь как «амплитуда» (или, лучше, область колебаний), так и частота
являются характеристиками системы.
Примером дифференциальных уравнений, описывающих автоколеба-
ния самой разной формы, может служить известное уравнение Ван дер
Поля
у — е(1 -а2г/2) у + «2у = 0. (8)
Если е < 1, колебания принадлежат к незатухающим, если 8 > 1—к релак-
2
сационным. В первом случае частота соо = со, а амплитуда Ао = —.
3. НЕАВТОНОМНЫЕ СИСТЕМЫ
Если имеется непостоянный, зависящий от времени, в частности перио-
дический, источник энергии, воздействующий на систему, то такая система
называется неавтономной, а ее колебания — вынужденными. Частота
вынуждающих (задающих) колебаний обозначается й.
Существует глубокое различие между случаями, когда эти вынуждаю-
щие колебания действуют на систему, не способную к автоколебаниям
(разд. 2а), и на систему, способную к ним (разд. 26).
В первом случае частота со установившегося стационарного состояния
(после того как затухнут переходные процессы) равна частоте й вынуждаю-
щих колебаний, если система линейна; если же система нелинейна, то
частота со равна й или кратна ей (пй). На фиг. 1 сплошная линия соответ-
ствует со = й, пунктирная — со = 2Й.
Совершенно иначе ведет себя система во втором случае (фиг. 2): пока
частота вынуждающих колебаний много меньше или много больше собст-
венной частоты автоколебательной системы <о0, эта система практически
не реагирует на внешнее воздействие и ее частота равна собственной
частоте автоколебательной системы. Однако при значениях й, близких к соо,
результирующие колебания происходят с частотой, в точности равной
задающей частоте. При этом собственная частота полностью подавляется
и не проявляется вовсе. Это замечательное и крайне важное явление извест-
но под названием затягивания. В области между Й1 = со0 (1 — Aj) и й2 =
— со0 (1 4-А2) автоколебательная система затягивается частотой й вынуждаю-
щих колебаний.
310
К- Клоттер
В некоторых случаях возможно затягивание (субгармоническое затя-
гивание) вблизи частот — = со0, где п — малые целые числа (линия п = 2
на фиг. 2).
Область затягивания Q2 — Qi = о)о(А2 + Ai) является характе-
ристикой системы и зависит от ее параметров. Эта область может быть чрез-
вычайно мала, очень велика или иметь промежуточные значения.
Фиг. 1. Зависимость частоты со вы-
нужденных колебаний в системе, не
способной к автоколебаниям, от часто-
ты Й вынуждающих колебаний.
Фиг. 2. Зависимость частоты со вы-
нужденных колебаний в автоколеба-
тельной системе от частоты й вынужда-
ющих колебаний.
п, = 1 — затягивание (первого порядка);
п = 2 — субгармоническое затягивание.
Примеры такого затягивания приведены в следующей статье автора
(стр. 312), разд. 8. Там же исследована зависимость между областью затя-
гивания и параметрами данной системы. Результаты анализа представле-
ны в виде кривых на плоскости двух определенных параметров системы.
Внутри области затягивания собственная частота полностью подав-
ляется и проявляется только задающая частота. Поэтому неправильно рас-
сматривать и сравнивать силу экзогенных и эндогенных «компонент», так
как само слово «компонента» предполагает наличие определенного вклада,
хотя бы небольшого, но конечного.
Существуют другие способы оценивать «силу» эндогенных колебаний,
например по их «степени устойчивости». Чем больше степень устойчивости,
тем меньше область затягивания. Величина области затягивания может
служить обратной мерой степени устойчивости.
В некоторых примерах, приведенных в следующей статье автора,
показано, что область затягивания мала для малых значений параметра
D (разд. 2а). Следовательно, для£) < 1 величина (1 —D) может служить
мерой степени устойчивости (и, следовательно, «силы») автоколебаний
(эндогенных колебаний).
4. СТАЦИОНАРНОЕ СОСТОЯНИЕ И ПЕРЕХОДНЫЕ ЯВЛЕНИЯ
Как для вынужденных колебаний, так и для автоколебаний сущест-
вует стационарный режим, в котором колебания являются истинно периоди-
ческими. Обычно возникшие в какой-то момент колебания не сразу дости-
гают стационарного состояния, а приближаются к нему асимптотически.
Общие свойства колебательных систем 311
Промежуточный режим называется переходным состоянием, а колебания,
наблюдающиеся при этом, переходными.
(В линейных системах, где имеет место суперпозиция, переходными
называют не все колебания, а только их «свободную часть», т. е. те, которые
соответствуют решению однородного дифференциального уравнения.)
При переходе из одного стационарного состояния (или начального
состояния) в другое переходные явления возникают всегда — как в случае
вынужденных (экзогенных) колебаний, так и в случае автоколебаний.
Поэтому возникновение переходных явлений не может служить критерием
для выяснения того, какие колебания имеют место — экзогенные или эн-
догенные; тем не менее предположения о возможности использования тако-
го критерия иногда встречаются в литературе.
к. КЛОТТЕР
Теоретический анализ некоторых
биологических моделей
о
1. ВВЕДЕНИЕ. ЦЕЛЬ РАБОТЫ
Питтендрай и Брюс [1], рассмотрев в ряде статей природу эндогенных
ритмов у различных организмов, разработали осцилляторную модель био-
логических часов. В более поздней работе [2] они, развив общие идеи,
предложили двухосциллятор ну ю модель. При этом они дали описание
ее свойств, учитывая, в частности, характер переходных явлений, наблю-
даемых у различных организмов. Во время дискуссии в Гейдельберге
в декабре 1959 г. д-р Питтендрай задал автору в числе других следующий
вопрос: «Можно ли объяснить характер переходных явлений, на основании
которых была разработана двухосцилляторная модель, при помощи одно-
осциллятор ной модели»?
Цель настоящей статьи состоит в том, чтобы: а) дать ответ на этот воп-
рос (этот ответ положительный) и б) развить теорию моделей биологических
часов.
В этой статье будут рассмотрены два новых типа моделей, названных
моделью I и моделью II.
2. МОДЕЛЬ I — СВОЙСТВА ПРИ ПОСТОЯННОЙ ТЕМПЕРАТУРЕ
Модель I представляет собой один осциллятор, обладающий следую-
щими свойствами.
А. Вспышка света или переход от темноты к свету («рассвет») в цикле
свет — темнота — свет и т. д., происходящие в момент времени t = Ц,
вызывает колебания (той или иной природы), описываемые уравнением
z/i (/) = sin [со (/—/j) — а] при t > (2.1)
Период колебаний Те = 2л/со — это «естественный», или собствен-
ный, период осциллятора. Динамически эти колебания можно рассматри-
вать как эндогенные незатухающие колебания. Считается, что период
Те (а следовательно, и частота со) не зависит от: 1) интенсивности вспышки
света, 2) интенсивности света в течение светового цикла и 3) отношения
длительностей светового и темнового периодов. Эти допущения являются
первыми приближениями к действительности.
Б. Если в дальнейшем при t ~ t2 > ti происходит следующая вспыш-
ка света или второй переход от темноты к свету (предполагается, что пере-
Теоретический анализ некоторых биологических моделей 313
ход от света к темноте не оказывает никакого действия), возникают новые
колебания осциллятора в соответствии с уравнением (2.1), а именно:
у2 (/) = sin [со (/— /2) — «]. (2.2)
При этом существующая в момент времени t = t2 разность В2 между
у2 (0 и tji (/), определяемая выражением
\В2 ~ z/t (Z2) — у2 (t2) = sin [со (/2 — Zi) — а] 4 sin а, (2.3)
будет монотонно уменьшаться в соответствии с уравнением
s2(/) = B2.e-DfiJ^-^. (2.4)
Результирующие колебания Y2 будут описываться уравнением
У2 (t)=y2(t) + s2(t) при t>t2. (2.5)
В. Каждая следующая вспышка света или «рассвет» в момент
времени tk будет вызывать колебания
yk (t) = sin [со (/ — th) — aj. (2.6)
Далее, существующая при t = th разность Bk между yk (0 и всеми
«остатками» предыдущих колебаний, начиная с z/i (/) и кончая z/s-i(O>
определяемая выражением
h—2
Bk= [#А-1 (6г) + S (6i)] — Z/д (6j), (2.7)
будет уменьшаться в соответствии с уравнением
s4(0 = -B4e-D“('-'4>. (2.8)
Отсюда результирующие колебания УА (t) будут складываться из двух
компонент:
^a(O = ^a(O + sa(O Для i>ik, (2.9)
где yk(t) и Sk(t) описываются уравнениями (2.6) —(2.8).
Г. Корни уравнений
ур(^)) = 0, v = 1,2,3..., (2.10)
имеющие смысл в интервалах tv < t < 6,+1, «определяют события», если
производная Yv{t{Ey) положительна.
«Событием» мы будем называть либо одиночный случай (например,
вылет из куколки взрослой мухи или максимум вылета имаго в популяции
мух), либо наступление некоторой определенной фазы ритма (например,
пик в ритме активности мышей).
Д. Из указанных допущений можно вывести следующие свойства
осциллятора:
1. Если первоначально осциллятор находится в состоянии покоя,
одиночная вспышка света в момент времени to приведет его в действие и воз-
никнут периодические колебания
z/o(6 = sin[co(/~ to) — a] (2.11)
с периодом Те = —. Отсюда из уравнения (2.9) получаем Yo = у0, а из урав-
нения (2.10) следует, что события будут происходить, через правильные про-
межутки Те.
314
К. Клоттер
2. Если модель первоначально производила некие неспецифические
действия в соответствии с некоторой неспецифической функцией у0 (t),
то последовательность световых вспышек через правильные промежутки
Те, или световой цикл с периодом Те, в конечном итоге (асимптотически)
заставит модель колебаться в соответствии с уравнением (2.11).
Последнее заключение можно вывести качественно на основании посту-
лированных свойств модели А — Д или получить аналитически. К сожа-
лению, ввиду недостатка места детали рассуждений мы вынуждены опустить.
2л
Осциллятор модели I определяется, кроме круговой частоты со = ~г- ,
е
двумя параметрами: а и D (безразмерная величина).
В этой статье мы будем преимущественно пользоваться величиной
(1 —D), служащей мерой устойчивости колебаний.
3. МОДЕЛЬ I — ПЕРЕХОДНЫЕ ЯВЛЕНИЯ
ПОСЛЕ ОДИНОЧНОЙ ВСПЫШКИ СВЕТА
Предполагается, что первоначально имеют место периодические коле-
бания, возникшие одним из двух путей, указанных выше (п. Д разд. 2).
Следовательно, осциллятор обусловит периодический ход событий. Выберем
нулевой момент времени, в который колебания описываются уравнением
у0 (/) = sin (со/—а). (3.1)
В момент времени = - производится вспышка света («сигнал»).
Какова цепь событий, следующих за сигналом, т. е. при t >
Ответ содержится в уравнениях (2.9) и (2.10) при k — 1, v — 1.
Подробности мы снова вынуждены опустить. Результаты изображены
на фиг. 1. На каждом из четырех рядов, соответствующих различным зна-
чениям параметра а, изображены четыре последовательных дня. Пара-
метр D во всех случаях равен 0,1. Жирные линии в каждой клетке, соот-
ветствующей первому дню, изображают световые сигналы. Последующие
кривые показывают события тем же способом, что и на фиг. 1 статьи Пит-
тендрая и Брюса [21. Для того чтобы облегчить сравнение, эта фигура вос-
произведена здесь под номером 2. Ряд Б изображает результаты экспери-
ментов, ряд В — результаты вычислений, произведенных на основании
двухосциллятор ной модели, используемой Питтендраем и Брюсом.
Сравним результаты экспериментов (фиг. 2, Б), с одной стороны,
с расчетами, произведенными на основании двухосциллятор ной модели
(фиг. 2, В), и с другой — на основании нашей модели I.
Экспериментальные результаты характеризуются следующими общи-
ми чертами. В то время как в первый день события присходят в момент вре-
мени ta, соответствующий некоторому сдвигу по фазе (по сравнению с нача-
лом отсчета времени), в четвертый день они происходят (с тем же самым
сдвигом /а) после того времени суток, когда (в первый день) был дан сиг-
нал. В течение второго и третьего дней события происходят несколько нере-
гулярно из-за переходных явлений. В эти «переходные» дни в системах
(популяциях), получивших сигнал в момент времени (0 < 15 час)
или в момент /3 (15 час < /2 < 24 час), кривые хода событий приближаются
к линиям, параллельным линиям сигналов, соответственно слева или
справа. Разрыв кривой хода событий предвидится и в модели Питтендрая —
Брюса, но не в 15 час, а несколько позже — в 17 час и происходит не на
второй, а на третий день.
к|оо
Фиг. 1. Переходные явления для модели I после одиночной вспышки света
в момент при D — 0,1 и различных значениях а.
О 1 2 3 4 5
Время, дни
Фиг. 2. Вызванные световыми и температурными процессами
переходные процессы, наблюдаемые в ритме вылета Drosophila
pseudoobscura [2].
А — температурные возмущения; Б — световые возмущения (эксперимен-
тальные данные); В — световые возмущения (расчет на основе двухосцилля-
торной модели).
316
К. Клоттер
Результаты, полученные на основании модели I (см. фиг. 1), показы-
вают, что время tt для разрыва может быть подобрано изменением пара-
метра а осциллятора. Для того чтобы разрыв происходил при t± ~ 15,
параметр а должен равняться
Более тщательный анализ показывает, что кривые, изображающие
ход событий на фиг. 1, разорваны и концы разорванных кривых размеща-
ются на линиях, параллельных линиям сигнала, что отличает их от экспе-
риментальных «кривых» второго дня. Формы экспериментальных кривых
и кривых фиг. 1 также несколько различны. Никакое изменение двух
параметров а или D в модели I не может привести к кривым, которые бы
отражали тонкие особенности экспериментальных кривых. В связи с этим
мы предложили модель II.
4. МОДЕЛЬ II — СВОЙСТВА ПРИ ПОСТОЯННОЙ ТЕМПЕРАТУРЕ
Модель II так же, как и модель I, состоит из одного осциллятора,
который обладает следующими свойствами.
А. В устойчивом состоянии колебания так же, как и в модели I, опи-
сываются уравнением
y0(/) = sin(co/ —а). (4.1)
Б. Вспышка света или переход от темноты к свету в момент ti —
вызывает новые колебания. Эти новые колебания, однако, не имеют посто-
янной амплитуды (как в модели I). Амплитуда возрастает от 0 к 1. Коле-
бания для t > ti описываются уравнением
yY (/) == [1 — e-^i®«-h)].sin[со (/ — ti) — а], (4.2а)
или, что то же самое,
t/t(/) = [1 — e-Di(“i-₽)].sin (со/ — р — а). (4.26)
Кроме того, старые колебания затухают в соответствии с уравнением
s0(/):=e-£“(*-h).sin (со/ — а), (4.3а)
или, что то же самое,
So (/) = e-D(cot-₽). sjn (ю/ _ а), (4.36)
В то время как разность Вг в модели I уменьшается монотонно, «ста-
рые» колебания у0 в модели II затухают, колеблясь.
В. Результирующие колебания будут описываться уравнением
r(/) = s0(/) + c/i(/). (4.4)
События происходят, когда Y (/) = 0, если производная положительна:
У(/*) = 0, где У>0.
Поскольку осциллятор модели II определяется, помимо со, тремя
параметрами: а, D и Dlt можно ожидать,что модель II удастся согласовать
с более сложными реальными осцилляторами.
Теоретический анализ некоторых биологических моделей
317
5. МОДЕЛЬ II — ПЕРЕХОДНЫЕ ЯВЛЕНИЯ
Модель II проверялась таким же образом, что и модель I (см. разд.З).
Результаты показаны на фиг. 3—5. Фиг. 3 изображает первый и второй день
при значениях параметров осциллятора а =0, DJD = 1; различные зна-
чения D указаны на кривых.
При 0 < D < 0,14 кривые не имеют разрыва. При 0,14 < D < 0,22
кривые разрывны, причем расстояние между концами разорванных частей
равно 12 час. При D > 0,22 концы нижних частей разорванных кривых
уже выходят за пределы t = 24 час. Кривая со значением параметра!) 0,25
хорошо соответствует экспериментальной кривой (на второй день), за исклю-
чением того, что разрыв происходит при = 12 час вместо 15 час. Это
объясняется, по-видимому, тем, что было выбрано а = 0. Однако, исходя
из свойств модели I, можно ожидать, что выбор различных значений а сдви-
нет время разрыва до 15 час. Недостаток места не позволил изобразить
эти дополнительные кривые. Фиг. 4 (а также равно нулю) показывает,
как кривые изменяют свою форму при изменении DJD. Фиг. 5 изображает
кривые для ряда следующих друг за другом дней при значениях парамет-
ров а = 0, D ~ Dt — 0,05.
Результаты позволяют надеяться, что при правильном выборе значе-
ний параметров (на основании большего числа примеров, чем мы распола-
гаем в настоящее время) модель II позволит объяснить даже более тонкие
особенности экспериментальных кривых.
6. МОДЕЛЬ I — ЗАВИСИМОСТЬ ОТ ТЕМПЕРАТУРЫ
В разд. 2 и 3 были рассмотрены особенности модели I при постоянной
температуре. Теперь мы дополним описание модели I, рассмотрев влияние
скачкообразных изменений температуры. Для этого надо сделать допол-
нительные допущения о свойствах модели I.
В то время как при постоянной температуре колебания, вызванные
вспышками света, обладали постоянной амплитудой (нормированной к 1)
и постоянной фазой а, при переменной температуре мы принимаем, что
оба эти параметра являются функцией температуры ft. При рассмотрении
общих вопросов нет нужды уточнять вид этих функций. Например, их
можно считать монотонно возрастающими или убывающими с температурой О'.
Таким образом, вместо уравнений (3. 1) и (2. 2) мы должны написать
#0 (0 = Л (Фа) sin [otf — «(О’а)! при !</*, (6.1)
r/1(0 = A(^b)sin[coZ —а(6'Ь)] при Z>/*, (6.2)
где t* — У- обозначает момент времени, в который произошел скачок тем-
пературы от 'О’ц до
Такой скачок температуры в момент t* вызывает разрыв С функции
ih (/):
C~yo(t*') — yi(t*')- (6.3)
Принимается, что этот разрыв уменьшается согласно уравнению
s1(0 = Ce-D“<<-<*). (6.4)
Результирующие колебания для t > t* будут иметь вид
(0 = (04- Si (6.5)
Фиг. 3. Переходные явления (первый и второй день) для модели II после одиночной
вспышки света в момент Н при а = О, D^D — 1 (значения D указаны на кривых).
Фиг. 4. То же, что и на фиг. 3, при а — 0 и различных значениях DJD
(значения D указаны на кривых).
Фиг. 5. Переходные явления (четыре дня) для модели II после одиночной
вспышки света (а — О, D^— D = 0,05).
Теоретический анализ некоторых биологических моделей
319
События, разумеется, и здесь будут определяться нулями (t) в соот-
ветствии с уравнением (2. 10) при v = 1.
Отсюда можно сделать следующий вывод: если после того, как колеба-
ния (3. 1) достигли устойчивого состояния, не было дано никаких свето-
вых сигналов, но температура внезапно изменилась с до -0-ь, то конеч-
ное состояние представляет собой последовательность событий, происхо-
дящих через промежутки времени Те, но с новой фазой а (^ь) вместо преж-
ней а ('ОД.
Особенности переходных процессов в этом случае также можно вывести
аналитически (что мы опускаем). На фиг. 6 показаны результаты такого
Фиг. 6. Переходные явления для модели I после скачка темпе-
ратуры в момент t* при а(0'о) = л/8; аС0ь)=л/4; = —.
анализа при D = 0,02 и D = 0,1, причем для примера выбраны следующие
значения параметров:
«. = 5-, аь = ±, Л(#,)=1, Л(»ь) = 0,6.
Расчетные кривые хорошо отражают основные черты эксперименталь-
ных кривых, но еще отличаются от них в деталях. Можно ожидать, что
более тщательно подобранная модель приведет к лучшим результатам.
7. ОБЩИЕ ТРЕБОВАНИЯ К МОДЕЛЯМ
Сравнение характера переходных процессов в моделях I и II после
действия световых сигналов (разд. 3 и 5) и после внезапного изменения
температуры (разд. 6) с результатами экспериментов, с одной стороны,
и с особенностями двухосциллятор ной модели [2], с другой, приводит
к следующим заключениям:
1. Обе одноосцилляторные модели (I и II) могут хорошо соответство-
вать экспериментальным данным (см. фиг. 2, Б). Даже очень тонкие
особенности экспериментальных кривых могут быть приведены в соответ-
ствие с одной из этих моделей. Это и позволяет ответить утвердительно
на вопрос, упомянутый в разделе 1.
2. Модель I способна объяснить особенности поведения и после скачка
температуры. Ввиду недостатка времени модель II для этого случая не
320
/С. К л о т пг е р
рассматривалась. Однако, учитывая, что модель II обладает большой гиб-
костью, можно ожидать, что она окажется еще более подходящей, чем’
модель I (так же, как и в случае световых сигналов).
3. Таким образом, мы показали, что может существовать и существует
не одна, а несколько моделей, согласующихся с экспериментальными
результатами, полученными при исследовании определенных явлений
(например, переходных явлений, наблюдаемых после световых или темпе-
ратурных сигналов), причем конструкция этих моделей может быть совер-
шенно различной (например, одно- и двухосцилляторные модели).
Более того, из приведенного материала очевидно, что не трудно предло-
жить целый ряд моделей, которые могли бы объяснить какое-то определен-
ное явление, если только эти модели будут обладать достаточным числом
свободных параметров.
Тогда можно задать вопрос, какую модель нужно предпочесть, или,
более точно, какая модель ближе к реальным осцилляторам организма.
Я предлагаю следующий критерий: та модель считается лучшей, которая
способна объяснить наибольший круг явлений, и особенно явлений, сильно
отличающихся одно от другого.
Это предложение согласуется с мнением Питтендрая и Брюса [2],
которые писали, что желательно разработать как можно более наглядную
и строгую колебательную модель для объяснения ритмов. Количественная
разработка формальной модели может привести к выяснению конкретной
природы колебательной системы.
Высказанное выше предложение следует рассматривать как попыт-
ку определить более точно термины «наглядный» и «строгий», употреблен-
ные Питтендраем и Брюсом.
Для того чтобы показать, какие особенности биологических колебаний
может описать модель I, помимо переходных явлений после световых сигна-
лов и смены температуры, мы продолжим изучение этой модели в отношении
совершенно другого явления — затягивания частоты.
8. МОДЕЛЬ I— ЗАТЯГИВАНИЕ ЧАСТОТЫ
'Здесь мы рассмотрим ту же модель I, свойства которой описаны
в' разд. 2. Предполагается, что модель, во-первых, уже находится в со-
стоянии устойчивых колебаний в соответствии с уравнением (3.1), а именно
у0 (£) = sin (cozf — а), (8.1)
и, во-вторых, подвергается воздействию последовательных сигналов (вспы-
шек или «рассветов»), происходящих через равные промежутки времени
в моменты t = Ts, 2TS, . .., nTs.
Вообще говоря, период Ts сигналов отличается от Те естественного,
или собственного, периода осциллятора.
Обозначим отношение TjTe через pi:
Н = (8-2)
J е
Каждая вспышка света в момент tk = kTs вызовет колебания
Yk (С = sin [со (/ - kT8) - а] + В^-^-^), (8.3)
где Bk определяется из условия непрерывности функции Y в соответствии
с уравнением (2.7).
Теоретический анализ некоторых биологических моделей
321
Подробный анализ, который мы также вынуждены опустить, показывает,
что в конце концов возникают результирующие колебания
у (г) = sin (т - «) + Sin (8.4а)
осуществляющиеся при
0<т<2лщ, (8.46)
где т обозначает со/, рассматриваемое от вспышки к вспышке. Заметим,
между прочим, что функция у (т) содержит три параметра —а, р., D.
События происходят, когда кривая, изображающая функцию у (т),
пересекает ось т с положительным наклоном (снизу вверх). Из-за того, что
т рассматривается от вспышки к вспышке, функция у(т) повторяет свои
Фиг. 7. Три формы колебаний у(х), описываемых уравнением
(8.4).
значения в каждый из последовательных промежутков времени, опреде-
ляемых неравенством (8.46). Если у (т) имеет одну точку пересечения (не
больше и не меньше) в одном интервале, это означает, что мы имеем последо-
вательность событий, разделенных равными промежутками Т8, т. е. что
эта последовательность «затянута» последовательностью сигналов.
Возникающие при этом колебания у (т) (8.4а) могут иметь различную
форму, из которых три показаны на фиг. 7. Кривая / имеет одно пересечение
с осью, и затягивание происходит. Кривая III не пересекается с осью,
и событий (а следовательно, затягивания) не происходит. Кривая II соот-
ветствует предельным значениям параметров, при которых еще наблюдается
затягивание. Определяя значения параметров а, p, D для случая II, мы мо-
жем найти пределы затягивания. Подробности этого анализа мы также опу-
скаем. Его результаты показаны на фиг. 8, где для трех значений параметра
а показаны величины параметров р, и D для предельного случая II в проекции
на плоскость р,— D. Следовательно, кривые фиг. 8 разделяют области,
содержащие точки (пары значений р, и D), для которых затягивание суще-
ствует, и точки, для которых оно не существует.
Здесь мы не будем пытаться подробно обсуждать все особенности кри-
вых, приведенных на фиг. 8, а обратим лишь внимание на окрестности линии
р=1, особенно на фиг. 8, А и Б (а=0 и а=л/8). Кривые показывают, что
при р,= 1 (что означает совпадение периода Ts сигналов с периодом Те сво-
бодного осциллятора) затягивание возможно при всех значениях D. Если
р, заметно отличается от 1, для осуществления затягивания необходимо
определенное минимальное значение D. Обратно, если система обладает
определенным значением параметра D (например, D=0,l или D=0,02—
эти значения вполне разумны), затягивание возможно только для узкого
интервала значенийр,. Например, при а=0 или а = л/8 иD—Q,02затягивание
Ф и г- 8. Пределы затягивания при значениях а = О (Л), а = л/8 (Б) и а = л/2 (В).
Заштрихованы площади, где затггивание существует.
Теоретический анализ некоторых биологических моделей
323
осуществляется только при 0,98 1,02; обращаясь к циркадным ритмам,
мы можем сказать, что при Т3=24 час затягивание возможно только для
систем, собственные периоды которых лежат между Те=23,5 час и Те=
— 24,5 час — значениями, вполне разумными для некоторых организмов.
Таким образом, модель I способна объяснить не только переходные
процессы, наблюдаемые в системе после Цветового сигнала или изменения
температуры, но также и совершенно другое явление — затягивание.
Аналогичный анализ можно провести и для более сложной, но и более
совершенной модели П. Мы его уже начали, но не успели завершить к насто-
ящему моменту.
9. ВЫВОДЫ
В разд. 7 мы предложили критерий для определения ценности той или
иной модели «внутренних часов». Перефразируя прежний вариант, мы можем
сказать: лучшей моделью для внутренних часов любого организма будет'
модель, способная объяснить с помощью одного набора значений параметров-
наиболыпее число различных форм поведения данного организма. На
основании этого критерия мы можем предложить следующую программу.
1. Для данного организма выбирается ряд характерных явлений. Эти
явления изучаются экспериментально с максимально возможной точностью.
2. Строятся модели, обладающие различными переменными параметрами
(подобно тому, как это делалось в настоящей статье). Величины этих пара-
метров определяются подбором так, чтобы поведение модели наилучшим
образом соответствовало экспериментальным фактам. Это делается после-
довательно для различных выбранных явлений.
3. Если некоторый набор значений параметров приводит модель в соот-
ветствие с экспериментальными данными для всех рассматриваемых явле-
ний, то очень вероятно, что эта модель включает в себя определенные суще-
ственные черты истинного механизма часов.
Я позволю себе привести довольно смелую аналогию — историю откры-
тия законов, которым подчиняется движение тел в солнечной системе.
После того как Коперник установил, что Солнце является центром
солнечной системы, были предложены различные модели для объяснения
наблюдаемого движения планет. Первое предположение, что планеты дви-
жутся по окружностям, было быстро отброшено, так как сравнение с очень
тщательными измерениями Тихо де Браге показало, что соответствие не-
удовлетворительно. Следующая стадия развития моделей: траектории дви-
жения планет пытаются описать при помощи различных эпи- и гипоциклоид.
При этом оказалось возможным объяснить лишь отдельные явления, но
далеко не все. Следующая стадия: Кеплер предложил модель эллиптических
орбит. С помощью этой модели удалось объяснить очень широкий круг
явлений.
Основываясь на эллипсах Кеплера, Ньютон показал, что эллиптическая
орбита представляет собой нечто большее, чем просто описательную модель,
что эллиптические орбиты отражают всеобщее свойство, присущее всем
движущимся в пространстве телам,— тяготение. Таким образом, удачная
описательная модель привела к причинному объяснению.
Так будем ждать, что в биологии появятся экспериментаторы, обладаю-
щие искусством и терпением де Браге, изобретатели моделей, которые подго-
товят путь новому Кеплеру, и будем надеяться, что наконец появится
новый Ньютон, который распознает в лучшей описательной модели всеобщий
закон, управляющий всеми периодическими явлениями в живых организмах.
21*
324
К. Клоттер
ЛИТЕРАТУРА
1. Pittendrigh С. S., Bruce V. G., An oscillator model for biological clocks,
p. 75—109. Rhythmic and Synthetic Processes in Growth, ed. Rudnick, Princeton,
Princeton University Press, 1957.
2. P i t t e n d r i g h C., B’r u с e V., К a u s P., On the significance of transients
in daily rhythms, Proc. Nat. Acad. Sci., 44, 965—973 (1958).
ОБСУЖДЕНИЕ ДОКЛАДА
Барлоу. Рассмотрение биологических периодических систем на
основе теории простых гармонических колебаний, произведенное д-ром
Клоттером, очень интересно.
По моему мнению, особенно интересно рассмотрение сдвигов фазы
(кратковременного сдвига под влиянием резкой смены температуры и дли-
тельного сдвига, произведенного световыми сигналами) как комбинации
синусоидальных волн, обладающих разными фазами, но одинаковой часто-
той. Однако мне кажется, что при таком приближении для объяснения
переходных явлений в биологических системах необходимо допустить суще-
ствование по крайней мере двух осцилляторов. Хотя теоретическая модель
д-ра Клоттера не может быть названа двухосцилляторной моделью, подобно
модели Питтендрая — Брюса, этим моделям, по-видимому, свойственно много
общего. При экспериментальных попытках выявить природу той или
иной биологической периодичности, например ритма вылета Drosophila,
нужно всегда иметь в виду минимальное количество колеблющихся систем,
которое необходимо учесть при теоретическом рассмотрении.
Р. В Е В Е Р
Применение электронной модели
для анализа фазовой синхронизации
ритмов
о
ПОСТАНОВКА ПРОБЛЕМЫ
В основе 24-часовой периодичности лежит эндогенная (циркадная) пери-
одичность, которая посредством внешнего синхронизатора — главным обра-
зом посредством чередования света и темноты — точно синхронизирована
с вращением Земли. Природа влияния синхронизатора на эндогенные коле-
бания неизвестна. Преждевсего остается открытым вопрос, как осуществляет-
ся фазовая синхронизация колебаний; иными словами, с помощью какого
механизма поддерживается постоянное соотношение между фазами синхро-
низатора и периодических биологических процессов.
Прежде чем говорить о возможных механизмах поддержания постоян-
ных фазовых соотношений, нужно выяснить, что входит в само понятие
фазовой синхронизации. Синхронизирующее возбуждение должно обладать
способностью сдвигать фазу эндогенных колебаний, причем величина сдви-
га фазы должна быть периодической функцией момента возбуждения. Тогда
между фазой синхронизатора и фазой эндогенных колебаний установится
некоторое постоянное соотношение, обладающее двумя свойствами:
1. Если фаза эндогенных колебаний достаточно близка к соответствую-
щей фазе синхронизатора, то вызванный синхронизатором сдвиг фазы будет
точно равен поправке, необходимой для синхронизации.
2. Знак сдвига фазы определяется следующим образом: при отставании
фазы эндогенных колебаний от фазы внешнего синхронизатора он положи-
телен, а при опережении — отрицателен.
Таким образом, для решения проблемы фазовой синхронизации нужно
ответить на два вопроса:
1. Какие изменения в окружающей среде приводят к сдвигу фаз? Яьляют-
ся ли они количественными изменениями или связаны с переходом между
двумя качественно различными состояниями? Сдвиг фазы под действием
изменений первого типа я буду называть «пропорциональным эффектом»;
если же он связан с качественными изменениями, я буду называть его
«дифференциальным эффектом». Смысл такой терминологии выяснится позд-
нее. '
2. Какой параметр эндогенных колебаний изменяется под действием
синхронизатора и определяет соответствующий сдвиг фазы?
Для ответа на эти вопросы нам нужно найти все связи между средой
и эндогенными колебаниями, которыми могут обеспечиваться периодически
меняющиеся сдвиги фазы,—• именно такие сдвиги требуются для осуществле-
ния фазовой синхронизации. Затем мы должны проанализировать, каковы
будут результаты существования связей каждого типа в различных условиях
326
Р. В е в е р
среды. Сравнивая эти результаты с результатами соответствующих биологи-
ческих экспериментов, мы можем установить, какого типа связи используют-
ся-в природе.
Подобный анализ легче всего произвести с помощью простой колеба-
тельной модели, поскольку в ее конструкции могут быть предусмотрены
связи определенного известного нам типа в отличие от природы, где мы не
знаем, какого типа связь используется в каждом конкретном случае. Мы
используем простую электронную модель, построить которую не составляет
большого труда.
Наш электронный осциллятор вовсе не является какой-то новой моделью
биологических часов и нужен нам только для того, чтобы выяснить возмож-
ности, логически приемлемые для фазовой синхронизации. С его помощью
нельзя получить никаких других результатов, кроме тех, которые всецело
вытекают из вложенных при его построении предположений. Таким обра-
зом, наша модель только помогает найти и проанализировать все следствия
этих предположений.
КОНСТРУКЦИЯ и РАБОТА ОСЦИЛЛЯТОРНОЙ МОДЕЛИ
При построении осцилляторной модели нужно прежде всего сделать
выбор между маятниковым и релаксационным типами осциллятора. В пер-
вом случае имеется два энергетических резервуара, и энергия попеременно
перекачивается из одного резервуара в другой и обратно; для компенсации
неизбежных энергетических потерь запасы энергии в одном из резервуаров
должны все время пополняться. В релаксационном осцилляторе энергия
черпается только из одного резервуара, который периодически опустошается
и вновь пополняется энергией из внешних источников. Однако из-за неизбеж-
ной инерционности всех элементов колебательной цепи открытие и закрытие
резервуара происходит с некоторой задержкой — за это время энергия
колебаний накапливается 'в самой колебательной цепи. Поэтому реальный
осциллятор никогда не совершает чисто маятниковых или чисто релакса-
ционных колебаний: его колебания занимают какое-то промежуточное поло-
жение, которое может быть ближе к одному или другому типу колебаний.
Следуя наиболее распространенному представлению о релаксационном
характере 24-часовых биологических ритмов, мы наталкиваемся на затрудне-
ния, на которые обычно не обращают внимания. Поэтому мы будем строить
модель маятникового типа. Наиболее важно здесь то, что мы получаем
осциллятор, позволяющий осуществить все возможные варианты фазовой
синхронизации.
Главной частью электронной осцилляторной модели, как показано
на фиг. 1, является колебательная цепь с периодом колебаний порядка
1 сек,, состоящая из индуктивности, емкости и гасящего сопротивления.
Для поддержания колебаний в цепь введена простая система обратной свя-
зи. В таком осцилляторе постоянное анодное напряжение служит источником
энергии для пульсирующего анодного тока, силу которого можно непре-
рывно измерять и регистрировать. Пульсирующий анодный ток можно
считать аналогом периодически меняющейся биологической активности.
Пульсирующий анодный ток характеризуется тремя параметрами —
частотой, амплитудой передним значением (уровнем колебаний),— которые
можно менять независимо один от другого (см. фиг. 1, Л). На частоту коле-
баний влияют индуктивность (/) и емкость (//); на амплитуду — величина
гасящего сопротивления (///). Уровень колебаний определяется величиной
Применение электронной модели для анализа фазовой синхронизации
327
сеточного смещения (IV). Для большей близости к биологическим явлениям
каждый из четырех элементов цепи регулируется независимо с помощью
дополнительного сопротивления, величина которого зависит от интенсивно-
сти света. Меняя интенсивность света, мы можем регулировать все три
параметра колебаний.
На фиг. 1, Б показано, как будут'изменяться параметры колебаний,
если регулировать каждый из четырех элементов в отдельности. При этом
регистрируемый количественно анодный ток может находиться в двух
А Б
Фиг. 1. Электронная осцилляторная модель.
А — схема осциллятора с четырьмя элементами регулирования под влиянием
света; Б —изменение колебаний, вызванное изменением (под действием света)
каждого из элементов при постоянстве остальных, т — длина периода;
а — активная фаза; Q — фаза покоя; площадь заштрихованной области — сум-
марная активность.
качественно различных «состояниях» в зависимости от того, будет ли вели-
чина сеточного напряжения выше или ниже некоторого порогового значе-
ния. В реальных осцилляторах это пороговое значение определяется запи-
рающим напряжением или потенциалами зажигания и гашения разряда.
Два качественно различных состояния анодного тока являются аналогами
состояний активности и покоя; продолжительность каждого из них обозна-
чается соответственно через аир. Площадь между участками кривой коле-
баний, соответствующими состоянию активности и пороговой прямой, мож-
но поставить в соответствие с количественной характеристикой активности
организмов. Величина отношения а : р (а также величина суммарной актив-
ности) определяется как уровнем колебаний, так и значением пороговой
величины. В то же время изменение отношения а : р при изменении уровня
колебаний (равно как и изменение суммарной активности) от положения
порога не зависит.
РЕЗУЛЬТАТЫ
В описанном осцилляторе четыре регулируемых элемента (/, II, III
и IV на фиг. 1) являются независимыми функциями интенсивности света.
В соответствии с этим мы получаем четыре способа регулирования колебаний,
328
Р. В е в е р
которые будем тоже обозначать I, II, III и IV. Для каждого способа прежде
всего предстоит проверить, можно ли с его помощью вообще осуществить
фазовую синхронизацию. Если можно, то далее каждый способ регулиро-
вания испытывается в следующих условиях: 1) при непрерывном освеще-
нии, интенсивность которого может быть различной; 2) в условиях чередо-
вания света и темноты; в этом случае может быть различным полный период,
а также относительная продолжительность светового и темнового периодов
(отношение С : Т); 3) при однократном включении (выключении) света
в условиях постоянной темноты (непрерывного освещения). Здесь и далее
под светом и темнотой подразумеваются сильно различающиеся интенсивно-
сти света (например, свет 1000 лк и темнота 0,1 лк).
Первая проверка показывает, что при регулировании амплитуды (путем
изменения гасящего сопротивления) никакой фазовой синхронизации не
происходит. Иными словами, регулирование амплитуды не дает сдвига
фазы. Следовательно, способ III из дальнейшего обсуждения исключается.
Остальные три способа регулирования позволяют осуществить фазовую
синхронизацию; посмотрим, что они дают в трех указанных случаях.
1. ПОСТОЯННЫЕ УСЛОВИЯ
При сохранении условий в течение нескольких периодов постоянными
модель теоретически должна вести себя так, как показано на фиг. 1, Б.
На фиг. 2 параметры колебаний, измеренные на модели, представлены как
функции интенсивности света. С увеличением интенсивности эти параметры
меняются следующим образом.
Способ I (регулирование индуктивности): уменьшается период колеба-
ний; пропорционально уменьшается продолжительность активной фазы
и фазы покоя, но их отношение (а : р) не меняется; суммарная активность
за один период уменьшается; активность, отнесенная к единице времени,
не меняется.
Способ II (регулирование емкости): в отличие от способа I период
и продолжительность активной фазы и фазы покоя пропорционально возра-
стают; активность в единицу времени снова остается постоянной.
Способ IV (регулирование сеточного смещения): период не меняется;
продолжительность активной фазы возрастает, а продолжительность фазы
покоя уменьшается, т. е. отношение этих величин возрастает; возрастает
и суммарная активность.
Ниже будет показано, что при всех трех способах регулирования коле-
баний максимум анодного тока наблюдается в середине светового периода;
следуя биологической терминологии, мы можем назвать такой осциллятор
активным на свету. Интересно сравнить результаты, приведенные нд фиг. 2,
с закономерностями циркадных ритмов у дневных и ночных животных [1].
Для дневных животных можно сформулировать следующее правило: при
повышении интенсивности освещения период ритма сокращается, продол-
жительность активной фазы возрастает, продолжительность фазы покоя
уменьшается; отношение а : р и суммарная активность возрастают.
Сравнение этих данных с результатами, полученными на модели,
показывает, что поведение модели соответствует правилу для частоты при
регулировании индуктивности (способ I) и противоречит этому правилу
при регулировании емкости (способ II); при регулировании сеточного сме-
щения (способ IV) частота не меняется. Отношение длительностей активной
фазы и фазы покоя меняется в соответствии с приведенным правилом при.
Применение электронной модели для анализа фазовой синхронизации
329
регулировании смещения (способ IV), но остается неизменным при двух
других способах регулирования. То же относится и к суммарной активности.
В итоге получаем: 1) способ I находится в соответствии с той частью
правила, которая относится к периоду; 2) способ II приводит к противоре-
чию с правилом; 3) способ IV дает согласие с той частью правила, которая
касается отношения а : р и суммарной активности.
Способ регулирования
Интенсивность света г лк
Фиг. 2. Зависимость параметров свободных колебаний в условиях непрерывного
освещения от интенсивности света при трех способах регулирования.
1 — период, 2 — фаза активности, 3 — фаза покоя, 4 — суммарная активность за единицу
времени. Кружочками отмечены результаты измерений.
Это означает, что полное соответствие с правилом для всех трех пара-
метров будет давать только сочетание способов регулирования I и IV. Дру-
гими словами, колебания модели аналогичны биологическим процессам
с 24-часовым периодом, если свет одновременно влияет через индуктивность
на величину периода и через смещение на уровень колебаний. В этом случае
модель будет вести себя аналогично дневному (активному на свету) животно-
му: повышение интенсивности света будет укорачивать период и повышать
уровень колебаний.
2. ЧЕРЕДОВАНИЕ СВЕТА И ТЕМНОТЫ
Вторым и наиболее важным испытанием трех способов регулирования
колебаний было испытание на синхронизацию, в котором роль синхрони-
затора играло чередование света и темноты; эксперименты проводились для
различных частот при разной относительной продолжительности светового
и темнового периодов (при разном значении С : Т). На фиг. 3 показано пове-
дение осциллятора при разных частотах синхронизатора. В некоторой
области частот (область затягивания) наблюдается синхронизация колеба-
ний осциллятора с внешними колебаниями (экспериментальные точки рас-
полагаются на одной прямой). Затягивание частоты наблюдается еще для
двух интервалов частот синхронизатора, но в этих случаях частота осцилля-
тора вдвое меньше или вдвое больше частоты синхронизатора. Вне указан-
ных областей затягивания колебания в модели происходят с частотой, не
зависящей от частоты синхронизатора. Измерения, результаты которых
представлены на фиг. 3, были проведены в эксперименте с регулированием
330
Р. В е в е р
индуктивности. Эксперименты с остальными двумя способами регулирова-
ния дали аналогичные результаты и поэтому здесь не приводятся.
На фиг. 4 представлены соотношения между «активной фазой» осцил-
лятора и фазой синхронизатора (фазовые соотношения) для всех частот,
допускающих точную синхронизацию (способы регулирования I, II и IV).
На фиг. 4, А изображен случай изменения частоты при постоянном значе-
нии С : Т (1:1), на фиг. 4, Б — случай, когда отношение С : Т меняется,
а период равен 0,86 сек. Во всех этих экспериментах используются две
интенсивности света — 0,1 лк и 1000 лк.
Горизонтальные отрезки указывают положение активной фазы для
каждого из периодов, допускающих точную синхронизацию. Самый верхний
и самый нижний отрезки на каждой из шести диаграмм указывают пределы
области затягивания. Для частот, лежащих внутри .области затягивания,
Период синхронизатора I
Фиг. 3 Поведение электронного осциллятора при чередовании света (1000 лк)
и темноты (0,1 лк) одинаковой длительности, влияющем на индуктивность (способ I).
Период колебаний представлен как функция периода Синхронизатора. Стрелками помечены пря-
мые, соответствующие синхронным колебаниям осциллятора и синхронизатора.
но близких к предельным, необходимо сделать замечание, справедливое
для всех осцилляторов: синхронизация на этих частотах возможна только
при медленном изменении частоты от некоторого значения, находящегося
ближе к середине области затягивания; при резком изменении частоты
синхронизация на частотах, близких к предельным, невозможна. То же
относится к предельным значениям величины С : Т. Таким образом, разме-
ры области затягивания зависят от скорости изменения частоты — эффект,
связанный с понижением стабильности на границах области затягивания.
Поэтому при измерении области затягивания частоту синхронизатора (равно
как и С : Т-отношение) следует менять медленно, начиная с некоторого сред-
него значения.
На фиг. 4, Б показаны также частоты собственных колебаний при посто-
янной интенсивности света (одной из двух интенсивностей синхронизатора).
Размеры области затягивания можно сравнить с положением этих двух
собственных частот.
Различные способы регулирования в отдельности дают следующие
результаты.
Способ I (регулирование индуктивности): синхронизация возможна
только с частотой, лежащей между двумя собственными частотами для двух
интенсивностей светового синхронизатора (фиг. 4, А, /), причем только
Применение электронной модели для анализа фазовой синхронизации 331
в тех случаях, когда световой период составляет от 25 до 75% от полного
периода 0,86 сек, (средняя точка области затягивания; см. фиг. 4, Б, I).
При больших и меньших значениях полного периода пределы С : Т-отноше-
ния, допускающего синхронизацию, сужаются, а положение активной фазы
смещается. В середине области затягивания активная фаза совпадает со све-
товой фазой синхронизатора. При понижении частоты активная фаза опере-
жает световую, а при повышении — отстает (фиг. 4, Л). Аналогичная кар-
тина наблюдается при изменении С : Т-отношения: когда световой период
Вр^мя, измеряемое от середины светового периода
Б
Фиг. 4. Область затягивания и фазовые соотношения в условиях чередования света
(1000 лк) и темноты (0,1 лк) при трех способах регулирования.
Горизонтальные отрезки указывают положение активной фазы относительно фазы синхронизатора
для случая точной синхронизации. Границы области затягивания определяются верхним и нижним
отрезками. А — изменение периода при постоянном отношении С : Т = 1 : 1; пунктирными линия-
ми обозначены периоды свободных колебаний для каждой из двух интенсивностей освещения
(/ — верхний пунктир для 0,1 лк, нижний для 1000 лк, 11 — наоборот, IV — одно значение периода
для 0,1 и 1000 лк)', Б — изменение С : Т-отношения — период не меняется и равен 0,86 сек.
больше темнового, активная фаза наступает раньше световой; наоборот,
при меньшей длительности светового периода она запаздывает. Как правило,
при изменении С : Т-отношения начало активной фазы совпадает с моментом
включения света. Продолжительность активной фазы не меняется.
Способ II (регулирование емкости): по сравнению с предыдущим слу-
чаем имеется только одно различие в результатах: при изменении С : Т-
отношения положение активной фазы определяется моментом выключения
света (с этим моментом совпадает конец активной фазы).
Способ IV (регулирование сеточного смещения): частоты собственных
колебаний уже не являются границами области синхронизации; они попа-
дают в середину области затягивания и для обеих интенсивностей имеют
одинаковую величину (фиг. 4, А, IV). Синхронизация возможна в довольно
широких пределах С : Т-отношения: доля светового периода может меняться
процентов на 90 от всего периода (фиг. 4, Б, IV). В экспериментах с изме-
нением частоты активная фаза располагается примерно так же, как и при
других способах регулирования. При изменении С : Т-отношения середина
активной фазы соответствует с небольшими отклонениями середине светово-
го периода. Продолжительность активной фазы изменяется примерно парал-
лельно длительности освещения.
Исходя из представленного на фиг. 4, А расположения активной фазы
в зависимости от частоты, можно сформулировать следующее правило,
332
Р. В е в е р
которому подчиняются фазовые соотношения при всех возможных условиях
синхронизации.
Для колебаний, частота которых располагается посредине между
частотами собственных колебаний — или, что то же самое, в середи-
не области затягивания,— активная фаза совпадает со световой; при
сдвиге колебаний в пределах области затягивания в сторону длинных
периодов активная фаза начинается раньше, а при сдвиге в сторону
коротких периодов — задерживается.
Руководствуясь этим правилом, мы можем, например, вывести фазовые
соотношения для случая меняющегося С : Т-отношения — на фиг. 4, Б
эти данные взяты из эксперимента. Можно также предсказать фазовые соот-
ношения для случая, когда в течение светового (или темнового) периода
интенсивность света повышается, а частота и С : Т-отношение не меняются
(этот случай на фиг. 4 не представлен). При таких условиях увеличивается
средняя интенсивность света за период. Это приводит к увеличению области
затягивания за счет более высоких интенсивностей. Тогда рассматриваемые
колебания внутри области затягивания будут сдвинуты в сторону относи-
тельно более низких интенсивностей. В результате при регулировании
индуктивности активная фаза будет наступать раньше, а при регулирова-
нии емкости — позже; для способа IV (регулирование сеточного смещения)
положение активной фазы не изменится.
Результаты экспериментов на модели в условиях чередования света
и темноты также можно сравнить с аналогичными биологическими экспери-
ментами; последние показывают, что область затягивания биологических
ритмов выходит за пределы, определяемые собственными частотами. Актив-
ность птиц удавалось синхронизировать циклом 12 час света (200 лк) —
12 час темноты (4 лк) (см. 11], фиг. 16), хотя периоды спонтанного
ритма для обеих интенсивностей освещения короче 24 час. На модели такой
результат возможен только при регулировании сеточного смещения
(способ IV).
При изменении С : Т-отношения биологические объекты синхронизи-
руются в самых широких пределах (см. [1], фиг. 18). Доля светового пе-
риода по отношению ко всему периоду может меняться больше чем
на 50%, что на модели осуществимо только при регулировании смещения
(тип IV).
Расположение активной фазы у организмов при изменении частоты
(см. [1], фиг. 17) соответствует всем трем типам моделей. Это свойство
фазовых соотношений следует из условия стабильности фазовой синхрони-
зации. Оно определяется только тем, что свет служит синхронизатором и не
зависит от связи колебаний с внешней средой. Следовательно, по отношению
к нашей проблеме оно не содержит никакой информации.
Положение активной фазы при изменении С : Т-отношения соответствует
биологическим экспериментам (см. 11], фиг. 18) в том случае, если исполь-
зуется модель с регулированием индуктивности; результаты на модели
с регулированием емкости противоположны.
В биологических экспериментах отношение продолжительности актив-
ной фазы к продолжительности фазы покоя меняется параллельно с изме-
нением С : Т-отношения. На модели такой случай наблюдается только при
регулировании смещения; при регулировании индуктивности или емкости
отношение а : q остается постоянным.
Зависимость положения активной фазы от интенсивности света в пре-
делах светового или темнового периодов в биологических экспериментах
Применение электронной модели для анализа фазовой синхронизации
333
(см. [1], фиг. 19) соответствует только модели с регулированием индуктив-
ности.
В итоге получаем: 1) способ I соответствует результатам биологических
экспериментов только в том, что касается фазовых соотношений; 2) способ
II противоречит результатам биологических экспериментов во всех отно-
шениях; 3) способ IV соответствует результатам биологических экспери-
ментов в том, что касается размеров области затягивания и отношения
а : Q.
Итак, для полного согласия с результатами всех биологических экспе-
риментов (соответствие размеров области затягивания, фазовых соотноше-
ний и отношения а : q) нужна комбинация способов регулирования I
и IV. Как и при непрерывном освещении, в условиях чередования света
и темноты соответствие между колебаниями модели и биологическими
колебаниями с 24-часовым периодом соблюдается в том случае, если свет
влияет одновременно через индуктивность на период и через сеточное сме-
щение на уровень колебаний.
3. ОДНОКРАТНОЕ ВОЗМУЩЕНИЕ
В качестве третьего испытания модели рассмотрим влияние одного
короткого возмущения (светом в темноте и наоборот) на свободные колеба-
ния системы. Действие однократного светового возмущения (1000 лк) в темно-
те (0,1 лк) показано на фиг. 5. Кратковременная темнота (0,1 лк) в условиях
непрерывного освещения (1000 лк) дает в точности противоположные резуль-
таты, и поэтому они не приводятся. По оси абсцисс на фиг. 5 откладывается
(в градусах) сдвиг возмущающего светового сигнала относительно начала
активной фазы, по оси ординат—вызванные возмущением сдвиги фазы, изме-
ряемые после возобновления нормального хода колебаний. Положительный
сдвиг фазы означает задержку возмущенных колебаний, а отрицательный —
опережение. Действие однократного светового возмущения показано для
трех сигналов разной продолжительности, измеряемой в градусах (1 пе-
риод =360°).
По сдвигам фазы, вызванным сигналами, по-разному1 сдвинутыми во
времени относительно начала активной фазы, нельзя сделать количествен-
ных выводов о фазовой синхронизации; причиной тому — искажения, вно-
симые переходными процессами. При несинусоидальных колебаниях будет
искажена не только величина сдвигов фазы, но и форма полученной кривой.
Измерение сдвигов фазы до исчезновения переходных явлений наталкивается
на трудности другого характера. Если мы будем измерять сдвиг фазы по
прошествии определенного времени после сигнала, то в зависимости от фазы
сигнала (относительно начала активной фазы) моменту измерения будут
соответствовать разные фазы одного периода. Мы не можем ориентироваться
сразу по всем фазам периода; если же выбрать какую-то одну фазу (или
несколько), то промежутки времени от момента сигнала до наступления
нашей пробной фазы будут разными для сигналов, поступающих в разные
моменты времени (относительно начала активной фазы). Тогда измерения
будут проводиться на разных стадиях спада переходных процессов, что
также приведет к искажению кривой. В условиях правильного чередования
света и темноты дело обстоит иначе: спад переходных процессов всегда зани-
мает одно и то же время.
Эксперименты дают следующие результаты.
Способ I (регулирование индуктивности): световые возмущения всегда
дают отрицательные сдвиги фазы, причем величина сдвига сильно зависит
334
Р. В е в е р
от момента поступления сигнала. Сигналы небольшой продолжительности
(в сравнении с периодом) наиболее эффективны в начале активной фазы
и наименее эффективны — в ее конце. При увеличении продолжительности
сигнала фазы, соответствующие его максимальной и минимальной эффектив-
ности, сдвигаются влево, т. е. наступают ранее (если за точку отсчета взять
начало сигнала); если за точку отсчета взять середину сигнала, то фазы,
соответствующие максимальной и минимальной эффективности сигнала,
от его длительности не зависят. При уменьшении длительности сигнала
Фазовый, угол сигнала относительно начала активной фазы
Фиг. 5. Влияние однократного светового возмущения в постоянной темноте при трех
способах регулирования.
Сдвиги фазы, вызванные возмущением, измеряются после спада переходных процессов. Длитель-
ность сигнала 180° (Л), 45° (5), 10° (В), 1 период — 360°.
сдвиг фазы уменьшается до нуля; возрастание длительности сигнала приво-
дит к неограниченному увеличению сдвига фазы.
Способ II (регулирование емкости): в противоположность способу I
световые возмущения в условиях постоянной темноты всегда приводят
к положительным сдвигам фазы и максимальные эффекты связаны не с нача-
лом, а с концом активной фазы (минимальные — с началом). Изменение
продолжительности сигнала приводит к тем же результатам, что и для
способа I.
Способ IV (регулирование сеточного смещения): световые возмущения,
приходящиеся на активную фазу, дают всегда положительный сдвиг фазы
(для фазы покоя — отрицательный). Эти эффекты от продолжительности
сигнала не зависят. При постепенном уменьшении длительности сигнала
сдвиг фазы уменьшается до некоторой величины, показанной нафиг. 5, В, IV,
и далее не меняется. При постепенном увеличении длительности сигнала
сдвиг фазы вначале уменьшается, пока продолжительность сигнала не станет
Применение электронной ^модели для анализа фазовой синхронизации
335
равной одному периоду (360°). Затем сдвиги фазы изменяются периодически,
никогда не превышая величины, показанной на фиг. 5, А, IV, и не пони-
жаясь ниже величины, показанной на фиг. 5, В, IV.
Соответствующие биологические эксперименты [2—5] дают следующие
результаты: световые возмущения в условиях постоянной темноты вызы-
вают положительные и отрицательные сдвиги фазы; для активных на свету
животных (насколько до сих пор известно) общий баланс отрицателен.
С увеличением длительности возмущения кривая сдвигов фазы смещается
влево; одновременно величина сдвигов все более возрастает. При уменьшении
длительности возмущения сдвиг фазы до нуля не доходит; его можно наблю-
дать также при вспышке длительностью всего 1/2000 сек.
Сравним опять результаты этих экспериментов с экспериментами на
модели. Во-первых, общий вид кривой сдвигов фазы не дает никакой
информации, так как всегда одинаков; он следует из условия стабильности
фазовой синхронизации и определяется только тем, что свет служит
синхронизатором. Информация для сравнения содержится только в высоте
кривой над осью абсцисс и в различиях между кривыми, соответствующими
сигналам разной длительности.
Смещение кривой для активных на свету животных в сторону отрица-
тельных сдвигов фазы соответствует поведению модели в случае регулирова-
ния индуктивности (способ I); для способа II результаты противоположны.
Сдвиг фазы максимального и минимального воздействия к более ранним
фазам при увеличении длительности сигналов совместим как со спосо-
бом I, так и со способом II. *
Изменение длительности сигнала влияет также на величину сдвига
фазы. Отличные от нуля сдвиги для очень коротких сигналов согласуются
со способом IV; неограниченное увеличение величины сдвига с повышением
длительности сигнала согласуется со способами I и II.
В итоге получаем: 1) способ I соответствует биологическим эксперимен-
там в отношении общего баланса сдвига фаз и приводит к аналогичной зави-
симости сдвига фазы от продолжительности сигнала; 2) способ II результа-
тами биологических экспериментов исключается; 3) способ IV соответствует
биологическим экспериментам в том отношении, что сдвиг фазы не достигает
нуля при уменьшении длительности сигнала.
Таким образом, сочетание способов регулирования I и IV будет нахо-
диться в согласии с биологическими экспериментами для всех наблюдаемых
параметров.
Итак, результаты экспериментов на модели в постоянных условиях
с однократным возмущением показывают, что колебания модели аналогичны
биологическим колебаниям с 24-часовым периодом, если свет воздействует
на период через индуктивность и на уровень колебаний — через сеточное
смещение. Получается то же самое, что и в независимых экспериментах
при постоянном освещении (разд. 1) и при чередовании света и темноты
(разд. 2).
Таблица позволяет сравнить результаты, которые дают все три способа
регулирования, с результатами соответствующих биологических экспери-
ментов. Из нее видно, что способ I (регулирование индуктивности) дает
только такие результаты, которые согласуются с результатами биологиче-
ских экспериментов; способ II (регулирование емкости) в ряде случаев дает
противоположные результаты; способ IV (регулирование сеточного смеще-
ния) тоже дает только такие результаты, которые аналогичны резуль-
татам соответствующих биологических экспериментов. Таким образом,
сочетание способов регулирования I и IV позволяет построить модель
336
Р. В е в е р
осциллятора, колебания которого будут совершенно аналогичны биологиче-
ским 24-часовым колебаниям в тех отношениях, которые были нами рас-
смотрены.
Сравнение поведения модели и живых организмов*
Эксперимент Изменяемый параметр Способ регулирования
условия изменяемый параметр I II IV (I+IV)
Непрерывное осве- Интенсивность света Период + — 0 +
щение а : q 0 0 + +
Общая активность 0 0 + +
Чередование света Частота Область затягивания 0 0 + +
и темноты Фазовые соотношения + + + +
С : Т-отношение Область затягивания 0 0 + +
Фазовые соотношения + — 0 +
а : о 0 0 + +
Интенсивность света Фазовые соотношения + — 0 +
(С и Т)
Световое возмуще- Фаза светового сигнала Баланс сдвига фаз + — 0 +
ние (относительно начала Фаза сигнала, соответ-
активности) ствующая максималь- ному сдвигу фазы ритма + + 0 +
Длительность светового Сдвиг фазы при умень-
сигнала шении длительности
сигнала 0 0 + +
Сдвиг фазы при увели-
чении длительности
сигнала + + 0 +
* Знак плюс означает, что поведение модели аналогично поведению организмов, знак минус—
что поведение модели обратно поведению организмов, нуль— отсутствие изменений измеряемого
параметра.
СИНХРОНИЗАЦИОННЫЙ ЭФФЕКТ
Как уже было сказано, действие синхронизатора может быть пропорцио-
нальным или дифференциальным; здесь все определяется механизмом, с по-
мощью которого синхронизатор сдвигает фазу колебаний. Другими словами,
все зависит от того, что именно служит причиной сдвига фазы — величина
интенсивности света или изменение этой величины. В модели механизм
сдвига фазы зависит от электрической схемы; для биологического осциллято-
ра никакого решения вынести нельзя — его устройство неизвестно. Посколь-
Применение электронной модели для анализа фазовой синхронизации 337
ку при различных способах регулирования синхронизатор влияет на пове-
дение модели по-разному, механизм его действия можно обсуждать для каж-
дого способа в отдельности. И индуктивность и емкость влияют на частоту
колебаний; следовательно, механизм фазовой синхронизации в этих двух
случаях сходен, и их можно рассматривать вместе. Сеточное смещение влия-
ет на уровень колебаний и, следовательно, имеет иной механизм фазовой
синхронизации. Рассмотрим кратко оба эти механизма.
1. ФАЗОВАЯ СИНХРОНИЗАЦИЯ ПОСРЕДСТВОМ ИЗМЕНЕНИЯ ЧАСТОТЫ
Индуктивность (как и емкость) определяет частоту количественно.
Вызванный изменением частоты сдвиг фазы пропорционален величине изме-
нения и времени, в течение которого измененная частота остается постоян-
ной. Если это время меньше одного периода, то сдвиг фазы зависит от того,
на какой стадии ритма произошло изменение частоты.
Эти явления можно объяснить, рассмотрев вкратце, как работает
колебательная цепь. В такой цепи энергия перекачивается от индуктивности
к емкости и обратно. Энергия, содержащаяся в обоих элементах, периоди-
чески уменьшается и вновь пополняется. Только в тех случаях, когда эле-
мент содержит какое-то количество энергии, его параметры могут влиять
на угловую скорость системы (когда длительность измененного состояния
меньше одного периода, удобнее говорить об угловой скорости, а не о часто-
те). В те моменты, когда элемент энергии не содержит, его параметры никак
не влияют на угловую скорость. Чем больше энергии содержит элемент,
тем чувствительнее изменение угловой скорости к временному изменению
его параметров и тем больший сдвиг фазы оно вызывает. Поскольку индук-
тивность и емкость накапливают энергию колебаний поочередно, максималь-
ные сдвиги фазы для этих двух элементов будут смещены на 180°. Такой
сдвиг на полпериода хорошо виден на фиг. 5 (/ и II).
Итак, одно и то же изменение индуктивности (или емкости) приводит
к разным сдвигам фазы в зависимости от времени поступления сигнала;
при этом выполняется главное требование фазовой синхронизации — вели-
чина сдвига фазы является периодической функцией времени. Поскольку
частота определяется величиной индуктивности и емкости, сдвиг фазы,
вызванный действием синхронизатора на индуктивность или емкость, сле-
дует считать пропорциональным эффектом.
2. ФАЗОВАЯ СИНХРОНИЗАЦИЯ ПОСРЕДСТВОМ ИЗМЕНЕНИЯ
УРОВНЯ КОЛЕБАНИЙ
Совершенно иным образом осуществляется фазовая синхронизация
в том случае, когда через сеточное смещение регулируется уровень колеба-
ний. Угловая скорость при изменении уровня колебаний не меняется;
следовательно, сдвиг фазы не зависит от времени, в течение которого уровень
колебаний имеет другое значение. Чтобы понять причины сдвига фазы
в этом случае, рассмотрим действие обратной связи осциллятора.
Колебания в цепи, состоящей из индуктивности, емкости и гасящего
сопротивления, не могут продолжаться сколь угодно долго — через некото-
рое время они затухают. Постоянный ток, пропущенный через цепь, не про-
тиводействует затуханию колебаний; он только поднимает средний уровень
колебаний от нуля до величины, определяемой силой тока. На фазу колеба-
ний может влиять только изменение силы тока, которое приводит к увеличе-
338
Р. В е в е р
нию или уменьшению напряжения на конденсаторе, в результате чего
в цепи возникают колебания. Периодическое изменение силы тока приводит
к периодическому возбуждению колебаний. Если это изменение происходит
с частотой, соответствующей собственной частоте колебательной цепи, оно
будет каждый раз усиливать колебания и этим компенсировать энергетиче-
ские потери —колебания будут продолжаться сколь угодно долго. Соответ-
ствие частот обеспечивается с помощью обратной связи (см. фиг. 1).
Когда сеточное смещение регулируется светом, ток в цепи определяется
не только обратной связью (эндогенно), но и интенсивностью света (экзо-
генно). Изменение силы тока в результате световых воздействий тоже при-
водит к возникновению колебаний в колебательной цепи, которые точно
так же поддерживаются посредством обратной связи. При синхронизации
экзогенных и эндогенных колебаний свет может привести только к увеличе-
нию амплитуды колебаний, но фазу не изменит. Если же световой сигнал
придет немного раньше или немного позже возбуждения через обратную
связь, то соответственно раньше или позже увеличится ток — появится
сдвиг фазы. То же относится к ослаблению силы тока при возбуждении
колебаний в противоположном направлении. Влияние однократного экзо-
генного возбуждения показано на фиг. 5.
При периодическом возбуждении колебаний световым синхронизатором
фаза эндогенных колебаний каждый раз сдвигается; это продолжается до тех
пор, пока не будет достигнута точная синхронизация экзогенных и эндоген-
ных колебаний. Если частота синхронизатора сильно отличается от соб-
ственной частоты цепи, то сдвиги фазы, вызванные светом, недостаточны для
синхронизации — колебания в цепи будут происходить с собственной
частотой.
Итак, экзогенные изменения силы тока, вызванные изменением величи-
ны сеточного смещения, тоже удовлетворяют требованию фазовой синхрони-
зации — величина сдвига фазы и в этом случае является периодической
функцией времени. Абсолютное значение силы тока для фазовой синхрони-
зации значения не имеет. Это означает, что сдвиг фазы, вызванный действи-
ем света на сеточное смещение, следует считать дифференциальным эффектом.
Общий вывод: чередование света и темноты, влияющее на частоту через
индуктивность или емкость, дает пропорциональный эффект; влияя на
уровень колебаний через сеточное смещение, чередование света и темноты
дает дифференциальный эффект. Результаты экспериментов на модели ана-
логичны результатам, получаемым при наблюдении биологических 24-ча-
совых ритмов, если внешняя среда одновременно влияет на частоту и на
уровень колебаний; в этом случае внешняя среда сочетает в себе свойства
пропорционально и дифференциально действующего синхронизатора.
ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ
Все эксперименты на модели приводят к одному и тому же результату:
аналогия с биологическими 24-часовыми ритмами достигается лишь при
сочетании двух различных способов регулирования — регулирования часто-
ты через индуктивность и уровня колебаний через сеточное смещение.
На первый взгляд эти два способа независимы один от другого. В действи-
тельности их гораздо труднее разделить, чем скомбинировать.
Чтобы пояснить это, рассмотрим вкратце факторы, определяющие вели-
чину индуктивности. Через катушку индуктивности протекает анодный
ток, который ее намагничивает. Такое намагничивание — по крайней мере
Применение электронной модели для анализа фазовой синхронизации 339
по достижении определенной величины — уменьшает магнитную прони-
цаемость железного сердечника катушки, а вместе с ней и индуктивность
катушки. Так как при повышении уровня колебаний анодный ток увеличи-
вается, это должно привести к уменьшению индуктивности.
Следовательно, для того чтобы изменение уровня колебаний йе приводи-
ло к одновременному изменению частоты, должны быть приняты специаль-
ные меры (дополнительное подмагничивание нужной величины). В против-
ном случае влияние света на уровень колебаний через сеточное смещение
приведет к одновременному изменению частоты: при повышении уровня
колебаний частота будет повышаться. Подобное рассуждение относится
Фиг. 6. Схема гипотетического осциллятора.
Эндогенный и экзогенный факторы регулируют поток энергии через колебательную цепь. Изме-
нение энергетического потока воздействует на энергию емкости, а его абсолютная величина — на
энергию индуктивности.
ко всем типам осцилляторов. Только в пограничных случаях удается обеспе-
чить постоянство частоты при изменении уровня колебаний.
На фиг. 6 представлена схема, поясняющая работу упрощенного осцил-
лятора. В этой системе экзогенный и эндогенный факторы действуют через
один и тот же элемент одинаковым образом; они не оказывают прямых
воздействий на колебательную цепь и влияют только на среднюю величину
потока энергии, проходящей через цепь. На модели это осуществляется
с помощью электронной лампы, выполняющей роль переменного сопроти-
вления. Как показано на схеме, поток энергии воздействует на колебатель-
ную цепь двояким образом: во-первых, изменение его величины приводит
к изменению энергии конденсатора и возбуждает колебания; во-вторых,
количество протекающей энергии определяет количество энергии в катушке
индуктивности и тем самым — частоту колебаний.
Аналогия с биологическими суточными колебаниями может быть достиг-
нута только при наличии двойной фазовой синхронизации, для которой
необходимо существование двух энергетических резервуаров. Следователь-
но, принятое вначале решение использовать модель маятникового, а не
релаксационного типа было правильным. Как уже говорилось, эти два
340
Р. В евер
типа осцилляторов отличаются главным образом числом энергетических
резервуаров: в маятниковом осцилляторе их два, а в релаксационном —
только один. И этого одного резервуара недостаточно для того, чтобы фазо-
вая синхронизация осуществлялась так же, как в биологических процессах
с 24-часовым периодом.
В представленном на фиг. 6 осцилляторе частота (угловая скорость)
связана со средним количеством протекающей энергии, причем не только
в постоянных условиях, но и при кратковременных изменениях энергети-
ческого потока. Если величина энергетического потока увеличится (эндо-
генно в период активности и, в меньшей степени, экзогенно под действием
света), то увеличится и угловая скорость. В качестве примера из биологии
можно взять те организмы, у которых в общей системе суточных колебаний
наблюдаются колебания с более высокой частотой. Было обнаружено, что
в период повышенной активности у крыс и мышей подобные колебания
происходят с большей частотой в состоянии активности и с меньшей —
в состоянии покоя; это наблюдалось не только в условиях чередования света
и темноты, но и при постоянном освещении [6]. Все это подтверждает пра-
вильность описанной модели.
ВЫВОДЫ
Подводя итоги всему сказанному, нужно четко отделить результаты,
следующие из самого понятия фазовой синхронизации, от результатов,
основанных на тех или иных предположениях.
Во-первых, перечислим результаты первого типа: если фазовую синхро-
низацию вообще можно осуществить, то это можно сделать тремя способами —
в двух из них используется пропорциональный эффект (способы I и II),
а в третьем — дифференциальный эффект (способ IV). Для каждого спо-
соба можно вывести, каким будет поведение системы в разных условиях
(фиг. 2—5).
Какой способ используется в природе, на основании рассуждений о фа-
зовой синхронизации решить нельзя; ответ на этот вопрос может дать только
изучение биологических объектов. Следовательно, общая теория фазовой
синхронизации без каких бы то ни было гипотез должна содержать три
параметра, характеризующих влияние каждого из трех способов регулиро-
вания на фазовую синхронизацию. Еще один дополнительный параметр
необходим для характеристики эндогенной обратной связи. Если последний
параметр меньше единицы, то в осцилляторе не могут поддерживаться
самостоятельные колебания; через некоторое время, определяемое тем же
параметром, они прекратятся. Если же он больше единицы, то колебания
могут продолжаться сколь угодно долго; в этом случае величина параметра
определяет амплитуду колебаний.
Величину всех этих параметров можно оценить на основании биоло-
гических экспериментов. Понятно, что соотношение между параметрами
у разных животных может быть совершенно различным; это тем более
справедливо при переходе от животных к растениям.
Далее следуют предположения. В первую очередь мы используем пра-
вило циркадных ритмов [I]—достаточно достоверное обобщение многих
наблюдений. Мы приравниваем нулю параметр, соответствующий способу II,
и считаем отличными от нуля два других параметра (I и IV); в результате
получаем комбинацию способов регулирования I и IV. Следовательно,
согласно нашему предположению, эта комбинация наилучшим образом соот-
Применение электронной модели для анализа фазовой синхронизации 341
ветствует результатам биологических экспериментов. Действительно, как
видно из таблицы, во всех случаях получается точное соответствие с поведе-
нием организмов. И все-таки наше предположение — только одна из воз-
можностей; если мы встретим организм, не подчиняющийся циркадному
правилу, нам придется для этого случая предположение изменить и дать
параметру, соответствующему способу II, некоторое значение, отличное
от нуля.
Другая гипотеза гласит: частота косвенно определяется уровнем коле-
баний. Но отсюда еще не следует, что только таким способом можно воздей-
ствовать на частоту. Например, колебания осциллятора могут зависеть
от температуры; тогда будет меняться не только переменное сопротивление,
определяющее уровень колебаний, но также и другие элементы. В результате
А
Б
Фиг. 7. Поведение упрощенного сциллятора с комбинированным способом регули-
рования (/ — IV) в условиях чередования света (1000 лк) и темноты (0,1 лк). । 4
А — изменение периода (верхний пунктир—период свободных колебаний при 0,1 лк, нижний —при
1 000 лк); Б — изменение С : Т-отношення. Объяснение см. в тексте.
этих изменений частота тоже может измениться. Таким способом может быть
в какой-то мере скомпенсирован пропорциональный эффект. Дифферен-
циальный эффект таким же способом компенсировать нельзя.
Теперь мы можем сказать, каким будет поведение системы в разных
условиях. Во всех случаях (непрерывное освещение, чередование света и тем-
ноты, постоянная темнота с однократным световым возмущением) резуль-
таты комбинированного регулирования можно рассматривать как комби-
нацию результатов, полученных с каждым способом регулирования в отдель-
ности. Например, при непрерывном освещении увеличение интенсивности
света приводит к уменьшению периода (способ I); в то же время продолжи-
тельность активной фазы увеличивается (способ IV). Следовательно, про-
должительность состояния покоя должна значительно уменьшиться.
Суммарная активность увеличивается.
Поведение системы в условиях чередования света и темноты (фиг. 7)
представляет особый интерес, так как при этом наблюдаются одновремен-
но пропорциональный и дифференциальный эффекты синхронизатора. При
синхронизации на разных частотах оба эффекта в отдельности приводят
к одним и тем же соотношениям между фазами синхронизатора и осцилля-
тора (ср. фиг. 4, А, I и IV)’, следовательно, комбинация этих эффектов
даст тот же результат (фиг. 7, Л). Указанные фазовые соотношения следуют
из условия стабильности фазовой синхронизации; они не зависят ни от
типа синхронизатора, ни от типа модели и наблюдаются всегда, если вообще
существует какая-то область затягивания. Из фиг. 7, А видно также, что
342
Р. В е в е р
область затягивания значительно шире области, ограниченной частотами
собственных колебаний.
При изменении С : Т-отношения (по аналогии с разной длиной дня
летом и зимой) два синхронизационных эффекта приводят к разным фазо-
вым соотношениям (ср. фиг. 4, Б, I и /V); это различие иллюстрируется
фиг. 7, Б где линия, состоящая из точек, соответствует пропорционально-
му эффекту синхронизатора (способ I), а пунктирная линия—дифференциаль-
ному эффекту (способ IV). Как следует из рисунка, пропорциональный эффект
связан с началом светового периода, а дифференциальный — с его середи-
ной; казалось бы, следовало ожидать противоположного результата. При
комбинированном регулировании активная фаза занимает некоторое среднее
положение (см. фиг. 7). Поскольку здесь мы имеем дело с различными эффек-
тами синхронизатора, положение активной фазы неустойчиво и может время
от времени смещаться в ту или иную сторону. Степень нестабильности
(выраженная размерами густо заштрихованной области) меняется с изме-
нением С : Т-отношения. Особенно заметна должна быть такая нестабиль-
ность у животных (см. [1], фиг. 15), так как в отличие от модели их актив-
ность изменяется не по синусоидальному закону. Степень нестабильности
должна зависеть от времени года; возможно, в этом заключается одна из
причин годовой периодичности.
ЛИТЕРАТУРА
1. Aschoff J., Exogenous and endogenous components in circadian rhythms, Cold
Spring Harbor Symp. on Quant. Biol., Vol. 25, 1960.
2. Rawson K-, Homing behavior and endogenous activity rhythms, Ph. D. Thesis,
Harvard University, 1956.
3. Bruce V. G., Pittendrigh C. S., Resetting the Euglena clock with a single
light stimulus, Amer. Natural., 92, 295—306, 1958.
4. Pittendrigh C., Bruce V., Kaus P., On the significance of transients
in daily rhythm, Proc. Nat. Acad. Sci. U. S., 44, 965—973, 1958.
5. D e С о u r s e у P. J., Daily activity rhythms in the flying squirrel, Glaucomys
volans, Ph. D. Thesis, University of Wisconsin, 1959.
6. Aschoff J., Meyer-Lohmann J., Die Schubfolge der lokomotorischen
Aktivitat bei Nagern, Pflugers Arch., 260, 81—86, 1954.
О. ШМИТТ
Биофизические и математические модели
циркадных ритмов
о
В настоящее время нам известен целый ряд разнообразных биологи-
ческих процессов с ярко выраженной периодичностью; однако до сих пор
неясно, возникают ли «первичные» колебания, обусловливающие эту перио-
дичность, внутри организма или во внешней среде, или же периодичность
обусловлена взаимодействием организма со средой.
Многие полагают, что экспериментально изучаемые ритмические про-
цессы являются косвенным результатом каких-то вторичных процессов,
в большей или меньшей степени связанных с работой некоторого управляю-
щего осциллятора; этот осциллятор скрыт внутри организма и синхрони-
зирован световыми или температурными сигналами с периодическими
явлениями внешней среды. Иногда предполагают также, что собственные
часы организма отличаются очень большой точностью и способностью
работать независимо от внешних условий; возможно также, что внешняя
среда влияет на часы каким-то более сложным образом. Однако ни одно
из этих предположений не связано с какими-либо биофизическими или
биохимическими представлениями о механизме биологических ритмов.
Ощущается острая необходимость в хорошей модели, которая помогла
бы разобраться в быстро накапливающихся количественных эксперимен-
тальных данных о биологических процессах, период которых близок 24 час.
К сожалению, немногие осознают в полной мере ценность математи-
ческих и биофизических моделей* Даже чисто формальная модель, не свя-
занная физическими аналогиями с изучаемыми биологическими процессами,
полезна для классификации. Она позволяет отделить те явления, которые
в пределах ошибки эксперимента согласуются с поведением модели, от явле-
ний, требующих других, быть может более сложных, моделей. С помощью
этой модели можно составить набор измеряемых параметров, которые
дадут возможность классифицировать и сравнивать результаты экспери-
ментов количественно.
Однако я считаю, что при всей полезности формальных аналогий
мы достигнем в биологии большего прогресса, если будем искать модели,
которые обладают видимой аналогией с биологическими процессами,—
пусть даже эти модели будут сложнее других. Рассмотрим для примера
маятник и колебательный контур, лежащие в основе некоторых моделей
циркадных ритмов. Обе эти модели описываются одними и теми же весьма
простыми дифференциальными уравнениями; используемый математический
аппарат хорошо знаком каждому физику и инженеру, так как именно
на этих примерах почти всегда изучается данная область математики.
344
О. Шмитт
Для этих моделей может быть легко составлена программа, и они без особо-
го труда могут быть приспособлены для хорошей имитации многих явлений,
наблюдаемых в циркадных ритмах (сдвиг фазы, затягивание частоты и т. п.).
Однако ни в организмах, ни в отдельных клетках не известны такие
биофизические и биохимические процессы, для которых параметры, коли-
чественно аналогичные массе или индуктивности, характеризовали бы такие
явления, как задержка фазы для обеспечения 24-часовой периодичности.
Поэтому мы вынуждены либо искать какой-то новый класс физических
или химических процессов в организме, либо признать, что наши модели
являются только формальными аналогами. Сравнивая свойства модели
маятникового типа со свойствами моста Вина или другой электронной
колебательной RC-системы, мы находим, что во всех этих моделях колебания
описываются очень похожими дифференциальными уравнениями, однако
RC-модели содержат элементы, непосредственно выражающие матема-
тические характеристики диффузии и кинетики ферментов, которыми,
по некоторым соображениям, должны определяться ритмические про-
цессы.
Помимо этого, аналоги второго класса имеют значительную эвристи-
ческую ценность, так как могут в процессе их усовершенствования шаг
за шагом привести нас к модели, полностью соответствующей эксперименту;
тогда мы будем искать биологические процессы такого же характера,
с теми же постоянными времени, идущие с той же точностью, что и процессы
в модели. Более того, полученные модельные системы могут быть легко
запрограммированы на вычислительных машинах, и биолог, подбирая
соответствующие параметры, сможет изучать ход биологического процесса
по поведению модели.
Модели третьего класса строятся на основании именно такого понима-
ния роли моделей в биологическом эксперименте и позволяют предсказы-
вать поведение биологических систем в заданном режиме внешних условий.
Такой метод сам по себе обладает огромными возможностями, и мы усилен-
но рекомендуем его биологам, имеющим дело со сложно выражаемыми,
но точно воспроизводимыми результатами. Дальнейшее развитие этого
метода, почти неизвестное в биологических лабораториях, явится еще
более мощным орудием исследования; оно связано с моделированием
в реальном масштабе времени.
При программировании экспериментов на аналоговых вычислительных
устройствах время и другие переменные умножаются на некоторый произ-
вольный коэффициент. Это позволяет подобрать такую длительность экспе-
римента, которая более всего подходит для счета и регистрации, и в то же
время добиться, чтобы известные компоненты удовлетворяли уравнениям.
Десятидневный эксперимент может быть проведен в течение 1 мин машин-
ного времени — сопротивление 1 Мом и конденсатор емкостью 1 \кф заменят
четырехчасовой процесс диффузии.
Работу вычислительных машин можно программировать и так, чтобы
1 сек машинного времени соответствовала 1 сек эквивалентного биологи-
ческого эксперимента; правда, такая работа в режиме «истинного» времени
неудобна.
Зато при моделировании в реальном масштабе времени вычислительное
устройство поразительно легко комбинируется с биологическим объектом —
можно сделать так, чтобы процесс протекал частично в машине и частично
в организме. Ту часть, которая идет в машине, можно легко варьировать
и каждый раз фиксировать результат эксперимента. Например, вполне
возможно ввести в организм искусственную гомеостатическую обратную
Биофизические и математические модели циркадных ритмов
345
связь, обеспечивая заранее рассчитанные значения температуры, интенсив-
ности света и концентрации химических веществ. В такой эксперимент
относительно легко ввести нелинейные изменения, разрывы и гистерезисные
явления, из-за которых аналитическое решение было бы практически
невозможным.
Переходя от общих соображений относительно моделей к более спе-
циальным, касающимся биологических ритмов, полезно составить список
основных свойств циркадных осцилляторов; хотя сведения, содержащиеся
в таком списке, тривиальны, они сильно ограничивают число возможных
моделей и стимулируют исследование нескольких не изучавшихся ранее
классов клеточных и надклеточных систем.
1. В биологических системах могут наблюдаться колебания циркад-
ного типа.
2. Период циркадных ритмов довольно велик.
3. Обычно циркадные ритмы имеют низкий температурный коэффи-
циент.
4. Для циркадных ритмов возможно явление затягивания частоты.
Сама возможность колебаний в системе означает, что либо где-то
внутри системы находится эквивалент усилителя, либо система работает
без потерь энергии, что для живых организмов крайне невероятно. Далее,
она означает, что имеется по крайней мере одна, а скорее всего несколько
подсистем, обладающих каждая своей «реактивностью», «временной задерж-
кой», «сдвигом фазы» или «частотой», поскольку все эти параметры наряду
с усилением существенны для поддержания колебаний в системах с энер-
гетическими потерями.
Некоторые генераторы колебаний работают с пересчетом — один цикл
таких генераторов соответствует двум, трем, четырем, пяти или п коле-
бательным циклам основного осциллятора более высокой частоты. Точность
таких колебательных систем может быть необычайно высокой, если роль
основного задающего осциллятора будет играть резонансная система на атом-
ном или молекулярном уровне. Не исключено, что колебательная система
с пересчетом колебаний лежит и в основе биологических ритмов, но тогда
такой осциллятор с пересчетом по аналогии с более простыми системами
должен быть способен к затягиванию частоты. Вопреки распространенно-
му мнению, осцилляторы с пересчетом могут с высокой точностью работать
на субгармонических частотах, т. е. на частотах, в целое число раз меньших
основной частоты.
При изучении теории осцилляторов часто упускают еще одно важное
положение: устойчивые колебания возможны только в том случае, если
элементы усиления колебаний и синхронизаторы точно согласованы между
собой и если некоторое постороннее возбуждение приведет осциллятор
в действие.
Обычно все осцилляторы с устойчивыми синусоидальными колебаниями
содержат специальные или случайные нелинейные элементы, которые
увеличивают или уменьшают энергетические потери, когда амплитуда
колебаний немного больше или немного меньше нужной величины; с по-
мощью этих элементов осуществляются устойчивые колебания с заданной
амплитудой. Такие колебательные системы запускаются обычно самопроиз-
вольно и автоматически достигают характерной для них амплитуды; но в тех
случаях, когда усиление колебаний при малых амплитудах недостаточно
велико, для возбуждения колебаний нужно превысить минимальную поро-
говую величину. Если работа нелинейных элементов зависит от времени,
осциллятор будет работать с небольшими отклонениями амплитуды и
346
О. Шмитт
частоты; в крайних случаях будут наблюдаться периодические срывы коле-
баний, или их сверхгенерация. Такие колебательные системы особенно
чувствительны к затягиванию частоты слабыми внешними периодическими
циклами.
Характерно, что при математическом рассмотрении гармонических
колебаний нелинейные элементы, необходимые для поддержания колеба-
ний, обычно не учитываются из-за сложности требуемого математического
аппарата. Только для класса осцилляторов, описываемых уравнениями
Ван дер Поля, возможен относительно простой анализ нелинейных изме-
нений. Вероятно, по этой причине такие релаксационные осцилляторы
получили широкое распространение в модельных системах.
Какие же принципы построения моделей можно вывести из приведен-
ных рассуждений о необходимых и достаточных условиях колебаний?
Во-первых, мы должны обязательно ввести в модель усилитель колебаний;
без этого непременного элемента модель-аналог не будет работать, несмотря
на «соответствие постоянных» или существование нужного порога колебаний.
В основе несовершенных моделей биологических колебаний лежат
обычно процессы с определенной последовательностью событий А —> В —»
—^>С—> А и т. д., где А, В и С могут обозначать все что угодно — диффузию,
фосфорилирование, белковый синтез, осмотические явления и даже митоз
и циклоз. Такие модели могут работать только при наличии усиления коле-
баний; природа и размещение «усилителя» среди остальных элементов уже
не столь важны. Вопреки мнению некоторых биофизиков, ферментативные
системы тоже могут находиться в режиме незатухающих самовозбуждаю-
щихся колебаний.
Построение модели с коэффициентом усиления по замкнутому контуру,
равным единице, будет полезным упражнением для биологов, занимающих-
ся математическим моделированием; построение такой модели в первую
очередь покажет, что осциллятор всегда является системой замкнутой:
полный сдвиг фазы по замкнутому контуру должен быть равен точно 2 л рад,
или 360° (положительная обратная связь). На этом примере легко научить-
ся пользоваться передаточными функциями и соблюдать размерность тех
параметров, которые участвуют в каждом преобразовании.
Легко запомнить, что при правильном составлении контура размерно-
сти должны в конце концов сократиться; например, если в выражение
входит коэффициент, определяющий реакцию температурного рецептора,
с размерностью имп! сек! град, то в него должна входить также величина
с обратной размерностью, которая сократится с первой при перемножении.
Подбирая элементы для построения моделей биологических циркадных
осцилляторов, нужно всегда иметь в виду, что хотя в биологических систе-
мах нет обычных радиотехнических индуктивностей и емкостей, обеспечи-
вающих соответствующее отставание или опережение по фазе, подобную
роль на всех уровнях — от субклеточных частиц до организма — могут
играть различные физиологические свойства (аккомодация, суммация
и т. п.). Фазосдвигающими элементами могут служить также ферментатив-
ные реакции, диффузионные процессы, секреция и синтез различных соеди-
нений.
Ток, текущий через конденсатор, пропорционален скорости изменения
напряжения, приложенного к его обкладкам: 1с—С dV/dt', ток через идеаль-
ный элемент индуктивности пропорционален взятому по времени интегралу
приложенного к нему напряжения: Vdt. Для синусоидальных волн
и интеграл, и производная косинусоидальны, но имеют разные знаки.
Биофизические и математические модели циркадных ритмов
347
Подобным же образом аккомодационные и интеграционные биологи-
ческие процессы при синусоидально изменяющихся воздействиях чаще
всего дают противоположные по знаку сдвиги фазы. Это делает особенно
интересными исследования реакций на температурные и другие изменения
синусоидального, а не импульсного характера. При этом должны получать-
ся большие значения функции и ее интеграла при минимальной производ-
ной. При изучении биологических ритмов такие исследования проводились
редко.
Вообще говоря, в любую модель циркадных биологических колебаний
должно быть введено усиление, каким-то образом контролируемое нелиней-
ными элементами, с коэффициентом усиления по замкнутому контуру,
равным единице. Соответствующий сдвиг фаз, фильтрация частот, временная
задержка и другие элементы могут обеспечить положительную обратную
связь при нужной форме колебаний. Наконец, период колебаний зависит
в основном от постоянства составляющих элементов, но могут быть вклю-
чены и специальные компенсационные элементы для коррекции этой зависи-
мости.
Обратимся теперь к конкретным величинам компонентов, при которых
основной период был бы равен примерно 24 час. Здесь мы встречаемся
с одной из наиболее сложных не решенных до настоящего времени проблем.
Мы должны использовать для петли обратной связи процессы, почти не зави-
сящие от температуры, достаточно медленные и очень точные. В медленных
процессах биология не знает недостатка: диффузия, синтез, дифференциров-
ка и рост, эндокринные циклы — это далеко не полный перечень таких
процессов. Но обычно такие процессы сильно зависят от температуры и под-
вержены различным посторонним влияниям, которые никак не могут содей-
ствовать хорошему качеству биологических часов. Ниже будет показано,
что для температурной стабилизации биологических модельных систем
нужно ввести отрицательную обратную связь; такая обратная связь может
даже обладать нелинейностью, соответствующей заданному образцу. Здесь
мы только рассмотрим механизм «растяжения времени» с помощью обрат-
ной связи — он позволяет использовать процессы со сравнительно неболь-
шими постоянными времени, например ферментативные реакции, изменения
внутриклеточных концентраций веществ, накопление веществ и их перенос,
в том числе через мембраны и т. д.
Рассмотрим электрическую аналоговую систему, показанную на фиг. 1.
Входное напряжение подается на усилитель и с обратной фазой — на стан-
дартный конденсатор емкости С; далее оно усиливается в 9 раз, так что
общее напряжение на конденсаторе равно приложенному напряжению,
умноженному на (р, + 1), где р. — коэффициент усиления. Для входной
цепи система будет аналогична конденсатору емкостью ЮС, что дает
десятикратное растяжение времени. Единственное ограничение для такого
растяжения времени определяется максимальной величиной усиления, при
348
О. Шмитт
которой еще не наблюдается избыточного сдвига фазы, а также способностью
усилителя с нужной скоростью переносить заряд на конденсатор. Резуль-
тирующая емкость будет постоянна в той же мере, что и емкость конденса-
тора С; ее постоянство зависит также от стабильности усилителя. Можно
даже сделать так, что обратная связь усилителя будет корректировать
изменение емкости С.
Легко представить себе биологические аналоги такого растяжения
времени. Эту роль может выполнять любой лежащий в основе гомеостаза
процесс с высоким коэффициентом усиления (на субклеточном уровне
или на уровне организма). Случайно выбранный мною случай с десятикрат-
ным растяжением времени является не более чем примером; в технике
принято использовать коэффициенты от 10 до 1000. Поэтому даже реакции
длительностью порядка нескольких минут еще нельзя исключить из числа
возможных компонентов моделей циркадных ритмов.
Цепь вспомогательной обратной связи вроде той, которая была исполь-
зована в только что разобранном примере с растяжением времени, может
выполнять много других функций. Изменив знак усиления, мы получим
вместо постоянного растяжения времени постоянное сжатие времени.
В этом случае надежность обратной связи еще выше, так как р становится
величиной дробной и увеличивается в результате введения отрицательной
обратной связи.
Полезно рассмотреть общие уравнения обратной связи в простой форме,
чтобы использовать их при построении биологических моделей. В наибо-
лее удобной форме основное уравнение выглядит так:
Выход = , ** -а • Вход,
1 —ИР
где выход характеризует полный результат воздействия, пришедшего на вход,
р — коэффициент усиления и р — коэффициент обратной связи. При повы-
шении р, т. е. при внутреннем увеличении «чувствительности» системы,
величина р|3 по абсолютной величине становится много больше единицы,
что позволяет сократить р в числителе и знаменателе. При р[3 > 1 система
мало зависит от чувствительности усилителя и практически характери-
зуется величиной т. е. зависит только от коэффициента обратной связи.
Обратно пропорциональная зависимость между полным усилением и [3
служит хорошим теоретическим ориентиром в поисках биологических про-
цессов с температурным коэффициентом, близким к единице. Систему с об-
ратной связью, температурный коэффициент которой близок к единице
в широком интервале температур, легко построить из компонентов, имею-
щих один и тот же знак температурной зависимости. Можно даже построить
такие системы, температурный коэффициент которых будет постоянной
отрицательной величиной в широком интервале температур. Для этого
система должна содержать только элементы с положительным коэффициен-
том усиления и элементы обратной связи. При этом компенсация никоим
образом не ограничивается узкими температурными пределами в отличие
от простых моделей без обратной связи, где трудно сочетать несколько
положительных процессов.
Существуют более сложные ансамбли систем с обратной связью, кото-
рые настолько аналогичны биологическим системам, что появляется иску-
шение отождествить их с реальными биологическими механизмами. Однако
в задачи нашего обсуждения не входит подробный анализ таких систем.
Особый интерес представляют системы, в которых р «рабочей» обратной
Биофизические и математические модели циркадных ритмов
349
связи определяется вспомогательной «поисковой» петлей обратной связи.
Хорошее объяснение процессов биологического регулирования дает класс
моделей с дополнительной цепью, по которой входной сигнал сразу подается
на выход системы. Такие модели позволяют добиться полной компенсации
посторонних влияний.
Не последнюю роль в поисках биофизической основы биологических рит-
мов должны сыграть системы с обратной связью, в которых ансамбль генера-
торов колебаний,распределенных в некотором интервале частот, работает в ре-
жиме, при котором генерируемые колебания подавляют друг друга. Такого
рода распределение осцилляторов может быть приспособлено «обучаться» под-
чинению внешним влияниям при данной частоте, может обеспечить сдвиг
фаз, соответствующий сдвигу фаз в биологических ритмах, и характери-
зоваться при этом стабильной работой на протяжении длительного времени.
Важно заметить при этом, что принцип взаимного подавления используется
в биологических процессах, связанных со зрением и слухом, а возможно,
и в некоторых других процессах.
Подводя итоги, можно сказать, что биофизическая основа биологических
ритмов скорее всего связана с работой замкнутых систем регуляции нели-
нейного типа. Математическое моделирование таких систем, эксперимен-
тальное построение подобных моделей, особенно с помощью вычислитель-
ных машин, а также применение гибридных биоэлектронных систем — все
это достаточно эффективные методы, которые в конце концов позволят
приблизиться к решению сложной проблемы биологических ритмов.
ОБСУЖДЕНИЕ ДОКЛАДА
Крис. Д-р Мерсер говорил об отсутствии необходимых данных для
статистического анализа, на основе которого можно было бы строго дока-
зать существование протяженных циклов. В связи с этим мне хотелось бы
упомянуть о работе д-ра Барра, который измерял колебания биопотенциа-
лов дерева в течение 12 лет и получил обширные данные для анализа лунной
(месячной) и годовой периодичности этих потенциалов в связи с метеоро-
логическими данными.
Г. КАЛМУ С, Л. У И Г Г Л С У О Р С
Системы с ударным возбуждением
как модели биологических ритмов
о
ВВЕДЕНИЕ
Исторически центральной проблемой в нашей области является про-
блема экзогенного или эндогенного происхождения ритмов. Мы можем
сформулировать эту проблему, заимствуя у современной генетики [3]
и иммунологии [4] представление о селективных и инструктивных про-
цессах. При инструктивных процессах тем или иным сложным реакциям
предшествуют структурные изменения, возникающие под действием внеш-
него агента. При селективных же процессах внешний агент (в иммунологии
это антиген) является лишь фактором отбора; иными словами, он отбирает
из огромного набора предсуществующих структур соответствующие ему
структуры, элиминируя остальные.
По существу мы имеем дело с различием между «преформистским»
и «эпигенетическим» происхождением некоторых особенностей биологиче-
ских ритмов. От наших представлений на этот счет зависит вид модели,
которую мы построим. Боюсь, что я не всегда был последователен при та-
ком выборе. Придавая организмам сходство с маятниками или электриче-
скими осцилляторами, я вначале уверенно поместил ритмы среди селек-
тивных процессов. Успех многих теорий, созданных на основе представле-
ний о внешних определителях времени, или синхронизаторах [5], и о коле-
бательных свойствах организмов [2, 6], подтвердил, как мне кажется,
справедливость такого подхода. Позднее [7] я предложил в качестве модели
другую, так называемую мнемоническую систему, способную регистрировать
и воспроизводить процессы с любой фазы 24-часового периода; такая система
похожа на граммофон и, конечно, попадает в класс инструктивных систем.
Этот мой поступок был строго осужден [2]. Современные модели опять
основаны на осцилляторах, но содержат более сложные системы регули-
рования. Даже и в этом виде они не отражают все стороны сложных эндо-
генных суточных ритмов у высших организмов; их достоинства скромней
и ограничиваются демонстрацией максимального числа колебательных
свойств на клеточном уровне.
Механические и электрические аналоги, отражающие некоторые свой-
ства таких ритмов, весьма многочисленны, и поистине поразительно, как
велико сходство во всех существенных отношениях, включая математиче-
ское описание с помощью сложных уравнений, между столь различными
устройствами, как маятник и электронная лампа. Д-р Клоттер в своем
докладе блестяще продемонстрировал, насколько яснее делает картину
теория, связанная с такими устройствами. Тем не менее прямое использова-
Системы с ударным возбуждением как модели ритмов 351
ние маятников и электронных ламп в качестве моделей биологических
ритмов довольно-таки ограниченно. Это объясняется, по-видимому, двумя
обстоятельствами.
1. Редко удается распознать, локализовать или отделить друг от друга
части биологических часов; поэтому определенные физические свойства
нельзя приписать каким-либо определенным структурам. Мы знаем только,
что в биологических часах нет стальных пружин или катушек индуктивности,
и догадываемся о способности часов изменяться, расти и делиться во время
наблюдения. Далеко не всегда удается распознать, что находится «внутри»
и что «вне» такой эндогенно-циркадной системы.
2. Немногочисленные факторы, которые мы можем варьировать, глав-
ным образом свет и температура, вызывают поразительно сложные эффекты
в организме. В частности, при любом изменении температуры, воздействую-
щем как на среду, так и на организм, возникает множество эффектов, наблю-
дающихся немедленно или через некоторое время. Изменение температуры
может, например, служить импульсом, возбуждающим незатухающие коле-
бательные процессы, и в то же время оно изменяет уровень метаболической
активности. Ничего подобного не наблюдается в простых часах или в лампе.
Изменения температуры приводят обычно к «нестационарным состояниям»,
которые характеризуются неустойчивостью фазы, периода, а возможно,
и других параметров колебаний. Часто нестационарное состояние вновь
сменяется состоянием, в котором система находилась до изменения. Опять-
таки простым осцилляторам нестационарные состояния несвойственны.
ТРЕБОВАНИЯ К МОДЕЛЯМ
Исходя из всего сказанного, мы должны ввести в модели, помимо
обычных свойств (колебания с собственной частотой, возбудимость), ряд
дополнительных свойств:
а) модели должны возбуждаться «ударом», т. е. быстрым изменением
некоторого фактора, в свою очередь меняющего внутренние свойства системы;
б) при изменении внешних условий в моделях должны возникать пере-
ходные процессы;
в) период колебаний должен оставаться приблизительно постоянным
при разных значениях упомянутого выше фактора;
г) в невозбужденном состоянии должно быть возможным отсутствие
колебаний.
Аналогом температуры в описываемых ниже экспериментальных моде-
лях будет служить гидростатическое давление.
Мы начнем с краткого описания математической модели, которая очень
удачно названа «фазовым портретом» [8]; после этого мы опишем две гид-
равлические модели, удовлетворяющие требуемым свойствам.
ФАЗОВЫЙ ПОРТРЕТ
Слово «фаза», обычно понимаемое как часть периода, используется
нами в более широком смысле; под фазой мы понимаем совокупность усло-
вий, в которых система находится в данный момент. Это до некоторой сте-
пени соответствует тому понятию фазы, которое употреблял Гиббс в физи-
ческой химии.
352
Г. К. а л м у с, Л. У игглсуорс
Рассмотрим систему, состояние которой описывается изменяющимися
во времени параметрами х и у. Предполагается, что скорость изменения х
и у в некоторый момент времени зависит от значения самих х и у в этот
момент, а также от некоторой внешней по отношению к системе величины 0.
Эта величина может быть постоянной или может изменяться во времени
по заданному закону. Переменными х и у могут быть, например, концен-
трации двух веществ, заполняющих систему, а величиной 0 — температура,
барометрическое давление и т. д.
Прежде всего мы предполагаем, что начальное состояние системы
и заданный закон изменения внешней переменной 0 (если она меняется)
однозначно определяют последующие состояния системы; далее, если 0
является постоянной величиной, то: 1) система может находиться в опре-
деленном устойчивом равновесном состоянии или может совершать неко-
торое устойчивое периодическое (циклическое) движение с периодом, не зави-
сящим или почти не зависящим от величины 0; 2) циклическое движение
совершается системой в тех случаях, когда имело место достаточно боль-
шое отклонение от положения равновесия.
Отметим, что мы считаем равновесное состояние устойчивым, если
система возвращается в это состояние после достаточно малого отклонения
от положения равновесия. Аналогично определяется устойчивость цикли-
ческого движения.
Все эти свойства можно проиллюстрировать с помощью «фазовой пло-
скости». Пусть Р — точка (фазовая точка) с координатами х и у. Изменение
во времени х и у в некотором масштабе изображается изменением координат
точки Р. Поведение системы описывается как путь точки Р; каждому моменту
времени соответствует определенное положение точки Р. Совокупность
возможных траекторий точки Р при заданном 0 представляет собой фазо-
вый портрет системы для данного значения 0, а постулированные выше свой-
ства определяют некоторые качественные характеристики фазового пор-
трета. Они состоят в следующем:
1) фазовая кривая однозначно определяется начальной фазой и не за-
висит от того момента времени, которому соответствует эта начальная фаза;
фазовые траектории не пересекают ни самих себя, ни другие фазовые
траектории;
2) существует замкнутая траектория С, соответствующая цикличе-
скому движению; равновесная точка Е должна лежать внутри этой траек-
тории;
3) внутри С должна существовать еще одна замкнутая траектория С',
также содержащая внутри точку Е\ траектории, начинающиеся от точки
внутри С', приближаются к Е, а те траектории, начало которых лежит вне
С' (внутри или вне С — все равно), будут приближаться к С.
Все эти свойства показаны на фиг. 1. Траектории, начинающиеся от точек
вне С', образуют «спирали», ведущие к С; траектории, берущие начало
от точек внутри С', образуют спираль, ведущую к Е. Эти траектории пред-
ставляют нестационарное переходное движение системы. Кривая С' пред-
ставляет неустойчивое циклическое движение, определяя в то же время
границу ударного возбуждения; если система получает ударное отклоне-
ние от положения равновесия, которое переводит систему из £ в какое-
нибудь место вне С', то возникает устойчивое циклическое движение, опре-
деляемое кривой С.
Такое представление с помощью фазовой плоскости относится к случаю,
когда внешняя переменная 0 постоянна; в этом случае скорость изменения
х и у в любой момент зависит только от величин х и у в тот же момент
Системы с ударным возбуждением как модели ритмов
353
и не зависит явно от времени, т. е. система автономна. Согласно сделанному
предположению, изменение 0 изменит некоторые характеристики фазового
портрета, но не изменит его топологической природы.
Если равновесное состояние Е и «ударная граница» С' зависят от 0, то
система может быть возбуждена внезапным изменением О.Это произойдет,
если внутри новой «ударной границы» уже не содержится Е. (В этом случае
новое равновесное состояние должно отличаться от £, так как оно должно
лежать внутри «ударной границы».) Если система первоначально нахо-
дится в состоянии Е, она не изменит своего состояния сразу вслед за изме-
нением 0, так как 0 влияет только на скорость изменения. Следовательно,
Фиг. 1. Фазовые траектории, соответствующие устойчивым,
неустойчивым и переходным колебаниям.
система начнет совершать циклическое движение, соответствующее новому
значению 0, т. е. по существу будет возбуждена ударом.
Если 0 непрерывно изменяется во времени, система перестает быть авто-
номной и совершает «вынужденное» движение. Однако на протяжении
интервалов времени, в течение которых изменение 0 мало, система будет
находиться вблизи равновесного состояния (или циклического движения),
соответствующего величине 0 в данный момент.
Простейший случай влияния 0 на систему осуществляется тогда, когда
от 0 зависят только равновесные значения х и у (обозначим их х0 и у0 ),
а скорость изменения х и у зависит от степени отклонения от равновесного
состояния, т. е. от величин (х — х0) и (у — у о), причем зависимость эта
с 0 не связана. В этом случае некоторое изменение 0 будет соответствовать
точному переносу всего фазового портрета на величину, определяемую
смещением равновесной точки. Рассматриваемая ниже модель служит
примером, в котором воздействию подвергается по существу только одна
переменная.
/ ПОСТРОЕНИЕ УПРОЩЕННОЙ МОДЕЛИ
Рассмотрим модельную систему, состоящую из двух «веществ» с кон-
центрациями х и у, где скорость изменения их количеств определяется
следующим образом:
при постоянном значении внешней переменной
а) вещество у превращается в вещество х со скоростью /С (у—х);
пусть эта скорость зависит только от разности (у — х);
б) вещество у пополняется из некоторого «резервуара» со скоростью
F (х); пусть эта скорость зависит только от х;
в) вещество х разлагается со скоростью G (х); пусть и эта скорость
зависит только от х.
354
Г. Калмус, Л. У игглсуорс
Если количество веществ представить в виде Ах и By, где А и В — неко-
торые постоянные, то результирующие скорости их изменения будут выра-
жаться следующим образом:
А ЧГХ К (У~х) — G (х), ]
Rd \ (1)
В ~dt у== ~^(У-х)+В (х). )
Полученные уравнения являются основными. Внешняя переменная 0 может
входить как параметр в одну или несколько функций скорости /С (у — х)
и т. д. Мы предположим, что 0 входит только в скорость превращения
К (у — х), причем будем считать эту скорость линейной функцией от (у — х);
наше предположение записывается так:
г) К (у — х) — k-(у — х -j- Л), где k — положительная константа,
а от 0 зависит только h.
Для получения равновесных значений х и у приравниваем нулю правые
части уравнений (1). Это дает F (х) = G (х), что определяет равновесную
величину х. Согласно сделанному ранее предположению, имеется одно
и только одно равновесное состояние; таким образом, уравнение F (х) =G(x)
имеет один и только один корень. Согласно условию (г), он не зависит от 0.
Примем его равным нулю, т. е. будем отсчитывать х от равновесного состоя-
ния. Тогда получаем F (0) = G (0). Другое следствие предположения о
единственном равновесном состоянии заключается в том, что разность
G (х) — F (х) может менять знак только один раз — когда х пройдет через
нуль. Это свойство будет позднее использовано в связи с устойчивостью
равновесного состояния.
Равновесное значение у дается уравнением К (у) =- F (0), так что
из условия (г) мы получаем
Л= ~/i + |F(0). (2)
Мы видим, что у о зависит от 0 только через постулированную зависи-
мость от 0 величины h. При постоянном 0 будут постоянными и h и у0.
Тогда, обозначая через Y = (у — у0) отклонение у от равновесного значе-
ния, получаем Из условия (г) и уравнения (2) получаем также
К (у — х) = k-(Y — х) — F (0).
Тогда из уравнений (1) следует
d I
— k-(Y — x) A-f (x), J
где^ (x) = G (x) — G (0), f (x) = F (x) — F (0) и, как и раньше, F (0) =G(0).
Параметр 0 в уравнение (3) не входит, так что здесь мы имеем уже разобран-
ный ранее случай.
Теперь наложим на функции f (х) и g (х) условия, которые обеспечат
устойчивость равновесной точки х = 0, Y = 0, а также существование
(устойчивого) периодического решения уравнений (3). Для этой цели рас-
смотрим уравнение только для х, полученное после исключения Y. Это
уравнение имеет вид
Системы с ударным возбуждением как модели ритмов
355
где g' (х) обозначает

Уравнение (4) хорошо известно в нелинейной механике. Оно описывает
k
смещение х единичной массы при наличии возвращающей силы {g (х) —
/1D
—f (х)} и сопротивления движению, пропорционального скорости, с коэф-
фициентом сопротивления {[(Л + В)!АВ] k + [g'(xjlA]}, зависящим
от смещения.
Два условия, необходимые и достаточные для устойчивости равновес-
ного состояния х = 0, заключаются в том, что для значений х, близких
Фиг. 2. Графики двух функций
скорости.
Фиг. 3. Графики двух идеализиро-
ванных функций скорости.
к х=0, возвращающая сила действительно возвращает, т. е. имеет один
знак с х, а коэффициент сопротивления положителен. Первое, вместе с ранее
сделанным заключением, показывает, что {^-(х) — f (х)}, а следовательно,
и {G (х) — F (х)} должны иметь один знак с х во всей области изменения
функции.
Необходимое условие для существования устойчивого периодического
решения уравнения (4) заключается в том, чтобы коэффициент сопротивле-
ния для некоторого интервала изменения х был отрицателен, а для крайних
значений х был положителен. Уравнение второго порядка, в котором «сопро-
тивление» (член, содержащий первую производную) может быть положи-
тельным или отрицательным в зависимости от величины х, описывает системы
с обратной связью, например осциллятор, собранный на триоде. Такого рода
включение обратной связи или подобной системы регулирования предста-
вляется существенным для биологических или любых других ритмов.
Требуемая смена знака возможна только в том случае, если функция
скорости G (х) является нелинейной функцией х; при этом ее производная
G'(x) должна быть отрицательна по крайней мере для некоторого интервала х.
Функция скорости F (х) может быть линейной, но она подчиняется условиям,
наложенным выше на разность G (х) — F (х). Условия, наложенные на коэф-
фициент сопротивления, в действительности еще не обеспечивают существо-
вания периодического решения уравнения (4). Это уже зависит от более
детального описания системы, определяющего конкретные пределы х, для
которых коэффициент сопротивления отрицателен, а также значения коэф-
фициента внутри и вне этих пределов.
На фиг. 2 и 3 изложенные выше свойства иллюстрируются графиками
функций скорости F( х) и G (х) при равновесном значении х, равном нулю.
356
Г. К. а л м у с, Л. У игглсуорс
На фиг. 3 функция скорости F (х) линейна и имеет отрицательный
наклон, а функция скорости G (х) кусочно-линейна и имеет отрицательный
наклон от а до Ь, а на остальных участках постоянна. В этом случае прибли-
зительное условие существования устойчивого периодического решения
уравнения (4) (и, следовательно, существования также неустойчивого перио-
дического решения) записывается следующим образом:
k(A-l-B) 2 , <Ь—а\
- - < гп---arctg ,
АВ л ь J
где т — наклон G (х) в пределах от а до Ь. Это неравенство задает для кон-
станты k некоторую верхнюю границу. Из предположения (г) о функции
скорости К (у — х) мы видим, что k определяет наклон (производную) этой
функции. Если К — нелинейная (возрастающая) функция (у — х), то
наклон, конечно, не будет постоянным. Вероятно, приведенное приблизи-
тельное условие будет применимо и к этому случаю, если k заменить сред-
ним наклоном функции скорости К (у — х) в области определения этой
функции.
ГЕОМЕТРИЧЕСКОЕ ПОСТРОЕНИЕ ФАЗОВЫХ КРИВЫХ
Если в уравнениях (3) положить А ~ В, что фактически не умаляет
общности получаемых результатов, то можно применить простой способ
Фиг. 4. Построение касательной к фазовой кривой.
приблизительного построения фазовых кривых. Сначала начертим кривые,
определяемые уранениями
1) У = х+(1/Л) g(x),
2) У = х + (1/£)/(х).
На фиг. 4 эти кривые помечены номерами 1 и 2. Если Р — точка фазовой
плоскости и ордината, проведенная через Р, пересекает кривые 1 и 2 в точ-
ках Pi и Р%, то, как следует из уравнений (3):
1) положению точки Р выше Pt соответствует ее движение слева направо,
а положению Р ниже Pt— движение справа налево;
2) положению Р выше Р2 соответствует ее движение сверху вниз,
а положению Р ниже Р2 — движение снизу вверх;
3) если параллельно оси х провести Р2 Q = PPi} причем точка Q нахо-
дится справа или слева от Р2 в зависимости от положения Р выше или ниже
Pi, то PQ будет касательной к фазовой кривой в точке Р.
Системы с ударным возбуждением как модели ритмов
357
Если касательная найдена, мы можем на ней выбрать новую точку Р'
на небольшом расстоянии от Р и повторить построение. Так постепенно
мы построим фазовую кривую. Этот метод хорош тем, что позволяет прово-
дить построение и в случае, когда аналитический вид кривых 1й2 неизве-
стен и они заданы только эмпирически.
Обратимся теперь к двум физическим моделям, которые соответствуют
этому математическому описанию.
ДВЕ ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ
Рассмотрим две наглядные и простые гидравлические модели.
Модель 1 состоит из двух несообщающихся бассейнов с трубами, по кото-
рым вода наливается и выливается из бассейна. На всех трубах, кроме
Фиг. 5. Гидравлическая модель 1.
Объяснение см. в тексте.
Фиг. 6. Гидравлическая модель 2.
Объяснение см. в тексте.
двух, установлены клапаны, регулирующие уровень воды в бассейнах
(фиг. 5). Работа регулирующих клапанов состоит в следующем:
Клапаны Ylt Y2 и Y3 открыты, когда уровень воды у выше среднего,
и закрыты, когда он ниже среднего.
Клапан Xi открыт, когда уровень воды х ниже среднего, и закрыт,
когда он выше среднего.
Клапан Х2 закрыт, когда уровень х находится между значениями
Xi и х2, которые оба ниже среднего; в остальных случаях клапан Х2 открыт.
Скорость вливания и выливания воды по трубам (при открытых кла-
панах) обозначается через р, q, г и т. д., как показано на схеме, причем они
выражаются как вклад в скорость изменения уровня, а не объема воды в бас-
сейнах. Скорость вливания воды предполагается постоянной. Скорость
выливания вследствие гидростатического давления в некоторой степени
колеблется в зависимости от уровня воды в бассейнах (работа клапанов
358
Г. К а л м у с, Л. У игглсуорс
при этом не учитывается). Но если отклонения уровня от среднего малы
по сравнению с величиной среднего уровня, то этими эффектами можно
пренебречь и считать скорость выливания воды постоянной. Считается,
что открытие и закрытие клапанов происходит в результате очень малых
изменений регулируемого уровня. Далее, скорость изменения уровней
считается медленной, так что инерционные эффекты малы и для любого
момента времени выполняются все гидростатические законы.
При всех этих предположениях скорость изменения уровней воды при
данном положении клапанов практически постоянна; соответствующая часть
фазовой кривой изображается прямой линией. При изменении положения
клапанов наклон этой линии меняется; таким образом, фазовая траектория
имеет вид ломаной. При подходящем выборе отношений р : q : г : s и отноше-
ния (х0— аД : (х0— х2) (где х0— средний уровень х) система обладает требуе-
мыми свойствами: равновесное состояние устойчиво и возможно устойчи-
вое циклическое движение.
Период этого циклического движения по существу зависит только
от скоростей и, и' и от отношения скоростей q и s; от скоростей р и г период
не зависит. Поэтому, если скорости р, q, г, s зависят, например, от темпера-
туры, но отношение q к s сохраняется постоянным, период от температуры
зависеть не будет.
Нашу модель можно рассматривать как систему сопряженных метабо-
лических процессов; она может находиться в равновесном состоянии, при
котором скорости составляющих процессов постоянны. Но в этой системе
при некотором ударном воздействии могут возникнуть колебания, которые
не будут зависеть от изменений температуры в пределах, соответствующих
пропорциональному изменению скоростей отдельных реакций. Возможно,
такие случаи встречаются во многих биохимических системах внутри клетки.
Модель 2 (фиг. 6, не обязательно в масштабе) состоит из двух бассейнов,
которые соединены трубой с краном Т\. Вода поступает в бассейн В из неко-
торого резервуара через трубу, на которой установлен кран Т2. Из бассей-
на А вода выливается по двум отводящим трубам Экранами Т3 и 7\. Положе-
ние кранов Т2 и Т3 регулируется высотой уровня воды х в бассейне Л;
регулировка осуществляется посредством поплавка, шарниров и т. д.
(на схеме показано упрощенно, без технических деталей). Краны 7\ и 7\
регулируются вручную; их положение считается фиксированным.
Скорость поступления воды в бассейн В обозначается через F (х),
а скорость ее вытекания из бассейна А — через G (х). Можно подобрать
условия, при которых характер изменения F (х) и G (х) с изменением х
будет таким, как, скажем, показано на фиг. 2.
Скорость поступления воды из бассейна А в бассейн В будет зависеть
от разности уровней (у— х) и от положения крана Ту, обозначим ее
/С (г/ — х). Если А и В — площади поперечных сечений бассейнов, то урав-
нения, связывающие высоты х и у, тождественны уравнениям (1).
Следует подчеркнуть, что движение воды считается медленным — инер-
цией движения мы пренебрегаем, так что скорость течения воды зависит
фактически только от гидростатического напора и от установки кранов.
Скорость течения воды К {у — х) не является линейной функцией
(у — х), и условие (г), которому удовлетворяла математическая модель,
здесь не выполняется. Как известно, эта скорость пропорциональна корню
квадратному из разности гидростатических напоров на концах соединитель-
ной трубы. Но при достаточно малых пределах изменения (у — х) по срав-
нению с равновесным значением функцию К (у — х) можно считать прибли-
зительно линейной.
Системы с ударным возбуждением как модели ритмов
359
Влияние внешней переменной на систему можно представить (по край
ней мере в принципе) следующим образом предположим, что в бассейне А
на поверхности и на дне атмосферное давление одинаково, на поверхности
в бассейне В и внутри резервуара оно тоже одинаково, но отличается
от первого. В этом случае ни скорость F (х), ни скорость G (х) от такого раз-
личия не изменятся Пусть разность атмосферных давлений на поверхности
в бассейнах А и В соответствует разнице в уровнях воды h. Тогда разница
гидростатических давлений на концах соединительной трубы эквивалентна
перепаду высот (у — х + й), от которого зависит поток воды из В в Л. Влия-
ние разности атмосферных давлений аналогично влиянию внешней перемен-
ной 0 в предыдущей математической модели, она воздействует на равновесное
состояние у (понижает его на величину /г) и не влияет на скорости потока
F (х) и G (х). Однако из-за нелинейной зависимости потока из В в Л от эффек-
тивной разности уровней величина h будет в некоторой степени влиять
на период циклического движения.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Эвристическую ценность только что описанных моделей покажет буду-
щее В отличие от обычной статьи, где мы были бы обязаны обсудить все
достоинства этих моделей и сравнить их с другими моделями, в докладе
на симпозиуме мы можем возложить эту трудную задачу на других участ-
ников. Однако мы убеждены, что наши модели отражают определенный
прогресс с того времени, когда Декарт выдвинул знаменитую идею о сходстве
между организмом животного и часовым механизмом,— прогресс идей,
тесно связанный с развитием техники. Мы надеемся, что наши модели послу-
жат нам лучше, чем старая сказка о часах, звонящих прямо в животе кро-
кодила1, которой теперь забавляются наши дети и в которую когда-то
верили и мы
ЛИТЕРАТУРА
1 К а 1 m u s Н , Uber das Problem der sogenannten exogenen und endogenen, sowie
der erblichen Rhythmik und uber organische Periodizitat uberhaupt, Rivista
di Biologia, 24, 191—225 (1938)
2 Pittendrigh C S, Bruce V G An oscillator} model for biological
clocks, p 75—109 Rhythmic and Synthetic Processes in Growth ed Rudnick
Princeton, Princeton University Press, 1957
3 Leb er b erg J Genetic approaches to somatic! cell variation summary com
ment, J Cell Comp Phvsiol Suppl 1, 52, 383—401 (1958)
4 Burnet F At, A modification of Jerne s theory of antibody production using
the concept of clonal selection, Austral J Sc , 20, 67—68, 1957
5 Aschoff J, Zeitgeber der tierischen Tages periodik, Naturw , 41, 49—56 (1954)
6 Bunning E, Die Physiologische Uhr, Berlin, Springer Verlag, 1958
7 К a 1 m u s H , New research in diurnal periodicity, Proc 2nd conference for biolo
gical rhythms research, Utrecht p 1—7, 1939
8 Andronow A A, Chaikin С E, Theory of Oscillations (English Transl )
Princeton, Princeton University Press, 1949
1 В сказке о Питере Пэне известного английского писателя и драматурга
Д М Барри крокодил случайно проглотил часы будильник — одни из тех патенто
ванных часов, которые заводились сразу на 99 лет, причем гарантировалось, что они
будут идти где бы то ни было и в каком угодно положении Часы продолжали идти
и в желудке крокодила, и их тиканье было слышно на далеком расстоянии Прим
перев
Ч. ЭРЕТ, ДЖ. БАРЛОУ
На пути к созданию модели
биологических часов,
близкой к живым системам
о
Польза от обсуждения и построения тех моделей, о которых здесь
говорили Шмитт 11], Вевер [2], Клоттер [3] и Калмус [4], для всех нас
достаточно очевидна; тем не менее мы убеждены, что эти модели будут иметь
существенную эвристическую ценность только при одновременном рассмот-
рении биологических субстратов.
Рассматривая формально некоторые свойства живых систем на уровнях
организации выше молекулярного, можно заметить достаточно близкую
связь между молекулярным и клеточным уровнями [5], которая, возможно,
осуществляется посредством всего лишь двух дополнительных звеньев —
макромолекулярных комплексов и клеточных органелл. Поднимаясь подоб-
ным образом до более высоких уровней организации (ткань, орган, организм,
сообщество организмов), мы можем наблюдать очень интересное соотношение
между периодами ритмических процессов на различных уровнях органи-
зации: чем выше уровень организации, тем длиннее период. Так, экологи-
ческие данные на уровне сообществ обычно дают период порядка нескольких
лет. На уровне организма и выше известны периодические явления с перио-
дом в год, месяц, несколько дней. Для клеточного уровня (двухоболочечные
системы)1 и выше характерна циркадная периодичность. На уровне простей-
ших организмов (бактерии, актиномицеты) и ниже периодические явления
вообще неизвестны.
Это общее и, возможно, необходимое соотношение между величиной
периода и уровнем организации можно сформулировать в виде еще более
общего закона: чем больше размеры биологической единицы, тем больше ее
среднее время жизни. Так, сообщество кроликов существует дольше, чем
каждый кролик в отдельности; дерево живет дольше любого из его годичных
слоев; время жизни клеток превышает время жизни их органелл; за время
жизни митохондрии все «молекулярное оборудование» этой крошечной
фабрики неоднократно обновляется. (Интересно, что, когда наступает
смерть, все эти соотношения оказываются прямо противоположными!)
Чем определяется максимальная величина периода — размерами биологи-
ческой единицы, ее временем жизни, степенью сложности или совокуп-
ностью всех трех факторов,— неизвестно. Для того чтобы можно было
высказать какие-то соображения на этот; счет, полезно было бы соста-
вить таблицу, в которой эти три параметра были бы сопоставлены с соответ-
ствующими им значениями периодов для живых систем.
Объяснение термина «двухоболочечные системы» см. на стр. 247.— Прим, ред*
На пути к созданию модели ритмов, близкой к живым системам 361
Мы будем считать наличие двухоболочечной организации необходимым
условием проявления циркадной периодичности. В связи с этим наибольший
интерес для нас представят такие свойства, которые отличают двухоболочеч-
ные системы от более высоко и менее высоко организованных систем (время
жизни, размеры, сложность и взаимодействие этих трех факторов). Особенно
привлекательно в этом отношении время образования органелл (минуты —
часы) и их время жизни (часы — дни); столь большие величины редко встре-
чаются на молекулярном уровне при физиологических условиях. Еще одно
свойство двухоболочечных систем заключается в особенностях оболочки ядра,
действующей подобно изгороди, которая не выпускает овец с определенного
участка пастбища, но не является препятствием для мух. Все эти свойства
позволяют нам при построении модели воспользоваться относительной тем-
пературной независимостью процесса диффузии. (Возможно, эта независи-
мость используется и в клетке.) При этом мы считаем, что лимитирующими
факторами для ежедневно повторяющихся в клетке синтетических процессов,
служат такие процессы, как диффузия в ядро и из ядра.
Перечислим характеристики и свойства обычных клеток, из которых
мы исходили при построении модели.
А. Топологические и анатомические свойства.
1. Ограничения в проницаемости оболочки ядра для крупных, макромо-
лекул и для клеточных органелл в течение большей части жизни клетки
(остаются ли размеры пор оболочки постоянными в отсутствие клеточного
деления?).
2. Большие размеры частей клетки; большие расстояния между ними
(и то, и другое по сравнению с молекулярными размерами).
Б. Свойства твердых тел.
1. Определяющая роль процессов диффузии органелл (микросом,
митохондрий и т. д.) в жизни клетки.
2. а) Переход крупных макромолекулярных комплексов и органелл
из внутренней мембранной системы (ядра) в цитоплазму, по-видимому
происходящий и в отсутствие клеточного деления. Возможно, что нужно
учитывать и переходы органелл и макромолекулярных комплексов из цито-
плазмы в ядро.
б) Зависимость процессов, происходящих на молекулярном уровне
в ядре и цитоплазме, от типа органелл, их распределения и концентрации.
В. Биохимические свойства.
Остальные свойства относятся к молекулярному уровню, а также в неко-
торой степени к низшим однооболочечным системам (бактерии, актиноми-
цеты). В этом случае температурная зависимость велика; правда, как ука-
зали Гастингс и Суини [6, 7] (и еще ранее Лотка), возможны компенса-
ционные механизмы, основанные на соотношениях между температурными
коэффициентами. Здесь представляют интерес механизмы с обратной связью,
т. е. торможение биосинтеза определенного фермента под действием самого
фермента [8—10].
ДИНАМИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ МОДЕЛИ ДЛЯ
неделящейся клетки
Рассмотрим отдельный цикл жизни клетки, включающий следующие
этапы метаболизма и синтеза различных структур:
1. Синтез полинуклеотидов в хроматине ядра; полимеризация РНК.
362
Ч. Э р е т, Дж. Барлоу
2. Объединение РНК и белка с образованием рибонуклеопротеидных
гранул (рибосомы, микросомы).
3. Диффузионный переход гранул в цитоплазму.
4. Синтез белка в рибонуклеопротеидных гранулах.
5. Объединение белковых и липидных слоев с образованием липопро-
теидных пластинок.
6. Диффузия этих пластинчатых структур внутрь ядра (возможна диф-
фузия] их фрагментов и различных комплексов — здесь может быть несколь-
ко разных путей метаболизма).
7. Вновь начинается первый этап и повторяется весь цикл — недоста-
ток субстрата устраняется в результате шестого этапа.
Для того чтобы более четко обрисовать различные этапы цикла и пока-
зать, каким образом сочетание биохимических и диффузионных процессов
Осциллограммы 12 3 4
Фиг. 1. Схема электронной модели,
имитирующей отдельные этапы
цикла жизни клетки.
обеспечиваетдблизкую к единице величину коэффициента Q10, был проведен
эксперимент на электронной модели. Прибор состоял из четырех генераторов
типа Тектроникс 162, соединенных в кольцо (фиг. 1). На выходе каждого
такого генератора вырабатываются импульсы пилообразной формы; начало
импульса определяется входным пусковым импульсом, а продолжительность
устанавливается с помощью регулировочных ручек, расположенных на
передней панели. Эксперименты проводились в реальном масштабе времени:
1 сек. эксперимента = 1 час моделируемого процесса.
Генераторы соединялись таким образом, чтобы конец импульса на выходе
одного генератора совпадал с началом импульса, вырабатываемого следую-
щим генератором. При таком способе соединения запуск любого из генера-
торов с помощью дополнительной пусковой схемы приводит в колебание
всю систему; общий период колебаний системы равен суммарной длитель-
ности всех импульсов.
На фиг. 2 представлены осциллограммы выходных импульсов четырех
генераторов. В каждом случае шкала амплитуд произвольна; ось абсцисс
прокалибрована в часах. Фиг. А и Б соответствуют одному полному циклу
при температурах, отличающихся на 10°. Для простоты длительность этапов
1 и 4 предполагается одинаковой; то же — для этапов 3 и 6.
Верхняя осциллограмма фиг. 2, А представляет этапы 1 и 2; нарастание
импульса соответствует увеличению числа синтезированных в ядре поли-
нуклеотидов (в процессе полимеризации РНК)- Первый этап длится около
3 час 2$ мин, после чего происходит объединение РНК и белка с образо-
ванием рибонуклеопротеидных гранул. Этап 2 относится к явлениям,
На пути к созданию модели ритмов, близкой к живым системам 363
А
характерным для твердых тел, и проходит очень быстро: резкий спад
импульса до исходного уровня соответствует быстрому понижению концен-
трации «свободных» полинуклеотидов и РНК в процессе образования гранул.
Далее начинается диффузия образовавшихся гранул из ядра в цито-
плазму (этап 5). Число продиффундировавших гранул представлено второй
осциллограммой на фиг. 2, А; оно начинает увеличиваться одновременно
с этапом 2 — примерно через 3 час после начала цикла; приблизительно
через 12 час от начала цикла это число
достигает критической величины — начи-
нается этап 4 (синтез белка внутри
рибонуклеопротеидных гранул). Коли-
чество синтезированного белка представ-
лено следующей осциллограммой на
фиг. 2, А; оно начинает нарастать через
12 час после начала цикла и нарастает
примерно в течение 3 час 20 мин, до-
стигая критической величины через
15 час 20 мин от начала цикла. С этого
времени начинается этап 5 — образова-
ние липопротеидных пластинок. Это
явление также управляется законами
твердых тел и через очень короткое
время полностью завершается: количе-
ство «свободного» белка быстро умень-
шается. Затем идет процесс диффузии
пластинчатых структур внутрь ядра
(этап 6); увеличение количества этих
структур в ядре представлено последней
осциллограммой фиг. 2, А. Оно дости-
гает критического уровня через 24 час
40 мин, и тогда снова начинается этап 1
(верхняя осциллограмма фиг. 2, Л).
Таким образом, весь цикл занимает
24 час 40 мин.
На фиг. 2, Б показано в точности
то же самое, но при температуре, отли-
чающейся от первой на 10° (например,
17 и 27°). Для этапов 1 и 4 коэффициент
Qlo полагается равным 2,5, для этапов
3 и 6 — единице. Таким образом, этапы 1 и 4 на фиг. 2, Б проходят
гораздо быстрее и занимают 1 час 20 мин (вместо 3 час 20 мин). На модели
это осуществляется сокращением в 2,5 раза длительности импульса на вы-
ходе соответствующих генераторов. Полный период уменьшается от 24 час
40 мин до 20 час 20 мин\ Qi0 всего цикла равняется 1,2.
В описанном модельном эксперименте разобран простейший из возмож-
ных случаев: этапы 1 м 4 равны по длительности и имеют одинаковое значе-
ние Qlo; то же относится к этапам 3 и 6. Предполагается, что рибонуклеопро-
теидные гранулы, попавшие в цитоплазму к концу этапа 3, с началом этапа 4
быстро исчезают (несомненно, гораздо ближе к действительности предполо-
жение о более медленном уменьшении их числа одновременно с синтезом
белка); то же относится к окончанию этапа 6 и началу этапа 1.
Для более близкого согласия с результатами биологических экспери-
ментов нужно только соответствующим образом изменить несколько пара-
Ф
Время, час
Б
г. 2. Последовательность собы-
в осцилляторной модели клетки
двух различных температурах.
и
тий
при
Q10 =2,5 для этапов 1 и 4 и Qio = 1 для
Э1апов 3 и 6. Выбор температур произво-
лен.
364
Ч. Эрет, Дж. Барлоу
метров, определяющих ход цикла. Так, очень легко отразить на модели
различие в скорости разных этапов. Например, можно сделать так, чтобы
один из двух диффузионных процессов протекал значительно быстрее дру-
гого. Более того, в электронных аналогах можно легко регулировать поро-
говые (критические) величины, определяющие начало следующих этапов.
ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ
Описанная модель согласуется с низким (но не равным единице) значе-
нием Qlo для биологических часов. Основное время цикла тратится на диф-
фузионные процессы, а температурные эффекты относятся почти исключи-
тельно к процессам молекулярного синтеза. Роль ингибиторов белкового
синтеза (например, хлорамфеникола) и ингибиторов пуринового и пирими-
динового метаболизма также согласуется с моделью; влияние каждого
из ингибиторов сравнительно невелико, во всяком случае меньше влияния
температуры, поскольку затрагивается только одна из двух химиче-
ских фаз.
Хорошо известно, что свет влияет на фазу биологических циркадных
ритмов, и поэтому крайне важно учесть в модели это явление; воздействие
света на метаболизм нуклеиновых кислот по существу уже доказано [11].
Весьма желательно дальнейшее исследование этого эффекта специально
в связи с различными этапами процессов, протекающих в представленной
нами модели.
Сравнивая наш осциллятор с двухосцилляторной моделью Питтендрая
и Брюса [12], мы видим, что он аналогичен только первичному, чувствитель-
ному к свету осциллятору. (Мы считаем, что только с помощью двухосцил-
ляторной модели — в явной или неявной форме — можно объяснить изме-
нения ритма вылета дрозофил под влиянием комбинированных температурно-
световых циклов или однократных изменений температуры или интенсив-
ности света; в дальнейшем мы намереваемся рассмотреть более сложную
электронную модель, принципиально аналогичную представленной здесь
модели, в которой будут приняты во внимание и только что упомянутые
эффекты.)
На этом симпозиуме проф. Питтендрай указал, что любая модель биоло-
гических ритмов при современном быстром развитии этой области живет
не более нескольких месяцев; мы не сомневаемся в недолговечности пред-
ставленной нами модели. Особенно слабым местом в ней являются некоторые
допущения, которые могут оказаться совершенно неверными (например,
допущение Б, 2). Если, однако, она стимулирует дополнительные размышле-
ния в этой трудной области или поможет наметить план специальных экспе-
риментов для выяснения фундаментальной природной основы биологических
часов, она выполнит свою задачу.
ЛИТЕРАТУРА
1. S с h m i de О. H., General properties of oscillating systems, Cold Spr. Harbor
Symp. on Quant Biol., Vol. 25, 1960.
2. W e v e r R., Possibilities of phase-control, demonstrated by a electronic model,
Cold Spr. Harbor Symp. on Quant. Biol., Vol. 25, 1960.
3. Klotter K., Theoretical analysis of some biological models, Cold Spr. Harbor
Symp. on Quant. Biol., Vol. 25, I960.
На пути к созданию модели ритмов, близкой к живым системам 365
4. К а 1 m u s Н., Two mathematical models for biological rhythms, Cold Spr. Harbor
Symp. on Quant. Biol., Vol. 25, 1960.
5. Ehret C. F., Organelle systems and biological organization, Science, 132, 115—
123 ( 1960).
6. Hastings J. W., Unicellular clocks, Ann. Rev. Microbiol., 13, 297—312
(1959).
7. Hastings J. W., Sweeney В. M., The Gonyaulax clock, p. 567—584.
Photoperiodism and Related Phenomena in Plants and Animals, ed. Withrow,
Washington, A. A. A. S., 1959.
8. G о t s J. S., Purine metabolism in bacteria, V, Feedback inhibition, J. Biol. Chem.,
228, 57—66 (1957).
9. Wyngaarden J. B., Ashton D., Feedback control of purine biosynthesis
by purine ribonucleotides, Nature, London, 183, 747—748 (1959).
10. Y a t e s R. A., P a r d e e A. B., Control by Uracil of formation of enzymes required
for orotate synthesis, J. Biol. Chem., 227, 677—692 (1957).
11. Ehret C. F., Photobiology and biochemistry of circadian rhythms in non-photo-
synthesizing cells, Fed. Proc., 18, 1232—1240.
12. P i t t e n d r i g h C. S., Bruce V. G., Daily rhythms as coupled oscillator
systems and their relation to thermoperiodism and photoperiodism, p. 475— 505.
Photoperiodism and Related Phenomena in Plants and Animals, ed. Withrow,
Washington, A. A. A. S., 1959.
ОБСУЖДЕНИЕ ДОКЛАДА
Суини. Я бы хотела прокомментировать только два вопроса, связан-
ные с описанной моделью. Во-первых, можно ли считать, что биологические
часы никогда не будут найдены в простых однооболочечных системах,
таких, как бактерии, только на том основании, что они до сих пор не были
найдены? Во-вторых, хотя данные о сдвиге фазы ритмов под действием
ультрафиолета действительно оправдывают предположение об участии
нуклеопротеидов в работе биологических часов, другие вполне убедительные
данные свидетельствуют против’ такого участия. Как показал Гастингс,
ингибиторы и аналоги типа 5-фторурацила не влияют на период и фазу
биологических часов у Gonyaulax-, они также не влияют на критическую
длину темнового периода, необходимую для наступления цветения Xanthium
(Салисбери и Боннер, 1960). Далее, синтез белка в Gonyaulax может быть
полностью ингибирован хлорамфениколом, и при этом наблюдается лишь
очень небольшое изменение периода (максимум 2 час). Наконец, для объяс-
нения слабой температурной зависимости компенсационная модель более
пригодна, чем диффузионная, так как известны случаи, когда Qlo меньше
единицы.
ЦИРКАДНЫЕ РИТМЫ
В ФОТО- И ТЕРМОПЕРИОДИЗМЕ
Ф. В Е Н Т
Термо- и фотопериодические явления,
связанные с ростом растений
о
Чтобы установить роль, которую играет тот или иной фактор в опре-
делении физиологического состояния организма, необходимо сначала создать
условия, в которых данный фактор окажется лимитирующим, а затем
произвольно изменять интенсивность воздействия. Я хотел бы обсудить
периодические явления, связанные с ростом растений. До недавнего времени
все опыты, связанные с ростом растений, проводились либо на проростках
при относительно постоянных температуре и освещении в течение короткого
периода времени, либо на взрослых растениях при менее строго контроли-
руемых условиях. Обычно в таких опытах использовали естественный или
искусственный свет, создавая и при искусственном освещении нормальный
24-часовой режим. Даже в тех случаях, когда постоянство условий опыта
контролировалось наиболее строго, состав воздуха на протяжении суток
все же претерпевал ритмические изменения, ибо в течение дня происходит
обогащение воздуха кислородом, а в течение ночи количество кислорода
в воздухе уменьшается. Можно избавиться от этих циклических изменений
состава воздуха, если пропускать воздух через фильтры из активированного
угля.
Вполне возможно, что 24-часовой ритм не является необходимым фак-
тором для нормального роста растений. Циркадные ритмы у растений были
описаны лишь для процессов, сохраняющих ритмический характер также
и при постоянных условиях, например таких, как никтинастические движе-
ния листьев.
За последние 100 лет накопилась значительная информация о влиянии
температуры на рост растений. Сакс [1] показал, что для процесса роста
растений можно определить минимальную, оптимальную и максимальную
Термо- и фотопериодические явления
367
температуру. Позднее оказалось, что такие же кардинальные точки можно
установить и для всех частных физиологических процессов. Это стимулиро-
вало изучение температурных характеристик фотосинтеза, дыхания, транс-
пирации ит. п. Во всех этих случаях оптимальные температуры оказались
достаточно высокими, > 30°. При субоптимальных температурах темпера-
турная зависимость отдельных процессов носила экспоненциальный харак-
тер и более или менее четко следовала закону Вант-Гоффа, а коэффициент
Qlo обычно лежал в пределах 2—3. Поэтому у биологов возникла уверен-
ность в том, что основные процессы, протекающие в растениях, предста-
вляют собой химические процессы или, по крайней мере, контролируются
таковыми. При температурах выше оптимальных наступают повреждения, на-
пример денатурация белков, в результате чего скорость реакций снижается.
Оптимальные температуры отдельных процессов, определяющих рост
растений, оказались весьма близкими к оптимальным температурам других
отдельных физиологических процессов. Однако оптимальные температуры
для роста растений в целом оказались существенно более низкими. Впервые
это явление обнаружили Блаув и его сотрудники на луковичных растениях.
Теперь мы знаем, что для роста большинства изученных растений оптималь-
ные температуры лежат между 10 и 20° [2]. Отсюда следует, что процессы,
которые объединяют различные части растения в единый организм, либо
сами должны иметь низкий температурный оптимум, либо они должны огра-
ничивать скорость химических процессов при температурах выше 10—20°.
Реакция на температурные воздействия у растения в целом характери-
зуется и еще одной особенностью, а именно периодичностью. При исследо-
вании оптимальных условий роста томатов почти во всех случаях было
обнаружено, что ночные температуры должны быть ниже дневных. Для
тропических растений разница между дневными и ночными температурами
должна составлять 3—6°, для растений умеренного пояса — 5—7° и для
растений пустынь — 10° и более. В течение длительного времени я объяснял
это явление тем, что световые процессы, протекающие днем (такие, как
фотосинтез), имеют более высокий температурный оптимум, чем темновые
процессы (например, перемещение сахаров). Это ставило термопериодизм
в такую тесную зависимость от фотопериодизма, что трудно было их раз-
граничивать. Позднее, однако, выяснилось, что у многих растений, не обна-
руживающих характерной фотопериодической реакции, например таких,
как томаты, термопериодизм тем не менее обнаруживается. Поэтому теперь
я уверен, что в управлении поведением растений термопериодизм следует
считать более общим механизмом, чем фотопериодизм.
Существует множество различных процессов, имеющих отношение
к росту растений и прямо или косвенно зависящих от света. Достаточно
назвать фотосинтез, фототропизм, фотопериодизм, образование пигментов
и т. п. Каждый из этих процессов имеет собственную область спектральной
чувствительности, причем эффективные участки спектров для разных про-
цессов четко различаются, но для одних и тех же процессов у разных расте-
ний оказываются весьма сходными. Интересно, что потребность в свете
у растения в целом не совпадает с потребностями отдельных процессов,
т. е. и здесь мы встречаем ту же картину, какую мы наблюдали при изучении
температурной зависимости. Реакция растения на свет точно так же, как
и его реакция на определенную температуру, характеризуется периодич-
ностью. У многих растений нормальный рост возможен только при чередо-
вании света и темноты, и соотношение между длительностью светового
и темнового периодов во многих случаях определяет поведение растения.
Это явление называется фотопериодизмом [3].
368
Ф. В е нт
Уже давно известно, что непрерывное освещение нарушает нормальное
развитие некоторых растений. Хэнсон и Хайкин [4], вероятно, первыми
связали это явление с 24-часовым ритмом, когда они обнаружили, что чере-
дование света и темноты с периодами 6 + 6 час или 24 + 24 час оказывает
более сильное повреждающее действие, чем длительное непрерывное осве-
щение. Позднее Хиллмен [5] ясно показал, что заболевания томатов,
вызванные непрерывным освещением (хлороз, замедление роста), можно
предотвратить, поместив растения в условия смены света и темноты на основе
24-часового цикла или циклической смены температур также с 24-часовым
циклом. Я обнаружил, что у гороха постоянство температуры и освещения
вызывает другое явление, а именно резко возрастающую изменчивость [6].
Эту изменчивость также можно снять введением либо температурного, либо
светового циклов; комбинация светового и температурного циклов не вызы-
вает дальнейшего снижения изменчивости. Известны другие случаи, когда
температурные циклы могут, по крайней мере частично, заменять световые
(необходимые для наступления цветения у Xanthium и гороха). Поэтому
мы пришли к следующим заключениям:
1. Для нормального или оптимального развития ряда растений необ-
ходим 24-часовой цикл изменения внешних условий.
2. Этот цикл может быть либо температурным, либо световым.
3. Сказанное предполагает, что как у томатов, так и у гороха процессы
роста или по крайней мере часть связанных с ростом процессов имеют внут-
ренние циркадные ритмы, которые для нормального протекания должны
быть синхронизированы внешними ритмами с 24-часовым периодом.
4. Эти внутренние часы могут быть заведены или синхронизированы
светом, но они не связаны непосредственно с пигментной системой, поскольку
температурные циклы столь же эффективны, как световые.
Таким образом, речь идет о внутреннем «часовом механизме», который
не имеет никакого прямого внешнего проявления (за исключением, может
быть, ориентации листьев, упоминаемой Бюннингом), но обнаруживается
по ненормальностям, возникающим в случае отсутствия внешнего синхро-
низирующего сигнала. Я полагаю, что в этом плане данное явление анало-
гично фотопериодической реакции, проявляющейся в зацветании растений,
ибо цветение тоже может не наступить до тех пор, пока оно не будет стиму-
лировано внешним воздействием (24-часовым циклом). Прежде чем углуб-
ляться в анализ природы этих внутренних «часов», я хотел бы рассмотреть
влияние ритмов на некоторые процессы, связанные с ростом. Обратимся
в первую очередь к фотосинтезу. Этот процесс у растений характеризуется
четко выраженной периодичностью. Возможно даже, что существует авто-
номный ритм фотосинтеза, но более вероятно, что этот ритм связан с перио-
дичностью в поведении растения в целом (открывание и закрывание устьиц
и т. п.). При изучении суточного хода фотосинтеза, т. е. способности растений
в различное время суток превращать энергию света в химическую энергию,
мы обнаруживаем значительные различия, которые могут быть поняты
на основе введенного Бюннингом понятия фотофильных и скотофильных
фаз. Когда растения выращиваются при интенсивности света ниже насы-
щающей величины, интенсивность фотосинтеза можно измерять количеством
продуцируемого сухого вещества. Если растения освещаются светом такой же
интенсивности с суточным циклом в течение 1—2 недель, то увеличение
сухого веса становится значительным и может быть точно измерено. При
разбивке 8-часового светового периода на два 4-часовых периода такой же
прирост сухого веса может быть получен только в том случае, если второй
период освещения совпадает с фотофильной фазой растения, индуцирован-
Термо- и фотопериодические явления
369
ной первым периодом 12, 6]. Именно поэтому максимальное увеличение
сухого веса можно получить только при 2- или 4-часовых промежутках
между двумя световыми периодами. При 6- и 8-часовых промежутках при-
рост сухого веса заметно снижается. В последнем случае наблюдается
та же ситуация, что и при 12-часовом чередовании света и темноты.
Для интенсивности света выше насыщающей величины картина оказы-
вается более сложной, поскольку после темнового периода растения спо-
собны использовать более сильный свет; вследствие этого эффективность
использования света растениями становится периодической функцией
времени, разделяющего световые периоды: вначале оно нарастает, а затем
уменьшается.
Опыты такого рода, как опыты Хиллмена, а также Хэнсона и Хайкина,
повлекли за собой ряд аналогичных экспериментов с циклами других дли-
тельностей. Подобные исследования проводились, например, в течение почти
Ф иг. 1. Камера с выдвижной крышкой.
Дверца 1 обычно закрыта. Внутри имеются полки 2, на которые помещаются
растения. Благодаря "отверстиям в двойном дне 3 воздух, подаваемый фе-
ном 4, равномерно продувает камеру. Стальной рычаг 5, закрепленный у
основания камеры и подвижно соединенный с крышкой, приводится в движе-
ние поршнем, заключенным 1 цилиндре 6, со сжатым воздухом. При этом
крышка 7 выдвигается Вперед по пазам 8, и растения освещаются люминесцент-
ными лампами 9. Трехходовой магнитный клапан 10 нагнетает сжатый воздух
для открывания крышки и медленно выпускает этот воздух, возвращаясь
в заданное положение.
двух лет в Эрхартской лаборатории. Выращивание растений в режиме,
отличающемся от 24-часового цикла, возможно лишь при наличии подходя-
щего источника искусственного освещения, обеспечивающего нормальный
рост растений.
ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТОВ
Опыты проводились в нескольких светонепроницаемых камерах
с выдвижной крышкой, наподобие тех, с которыми работал Бонд [7] при
выяснении влияния различной длительности цикла (фиг. 1). Четыре такие
камеры помещали в ряд под панелью с люминесцентными лампами. Когда
370
Ф В е н т
крышки камер выдвигали, растения оказывались на свету, когда их задви-
гали — в темноте. Выдвигание и задвигание крышки осуществлялось
с помощью поршня, заключенного в цилиндре, в который при помощи сило-
вого реле, управляемого часовым механизмом, подавался сжатый воздух.
Каждая камера была снабжена феном, который продувал ее таким образом,
что комнатный воздух затягивался снизу, затем обдувал растения и выходил
наружу через отверстие в верхней части камеры. Благодаря этому темпера-
тура воздуха внутри камеры поддерживалась на постоянном уровне неза-
висимо от положения крышки. Передней стенкой камеры служила свето-
непроницаемая дверца. Внутри имелись 3 полки, каждая из которых могла
быть установлена на любой высоте. Таким образом растения можно было
выращивать в камерах при трех различных интенсивностях света. Обычно
использовались интенсивности 5000, 10 000 и 15 000 лк или 6000 и 12 000 лк.
Осветительные панели были отгорожены от камер стеклом или плексигла-
сом, так как иначе в камерах, находившихся под одной осветительной
панелью, из-за теплового излучения люминесцентных ламп наблюдались
различия в температурах, доходившие до 5°.
Опыты велись одновременно в трех комнатах-термостатах, в каждой
из которых было установлено по четыре камеры. Это позволяло выращивать
растения при трех разных температурах (15, 21 и 30°) и четырех разных
световых циклах и, таким образом, определять зависимость оптимального
цикла освещения от температуры. Чтобы облегчить сравнение отдельных
опытов, все циклы освещения делили на две равные половины — световую
и темновую, т. е. создавали режим освещения: 12 час света— 12 час тем-
ноты или 15 час света — 15 час темноты.
Большинство опытов с молодыми растениями томатов длилось две
недели. Измерения высоты растений показали, что обычно реакция на разли-
чия в длительностях цикла проявлялась уже через 4 дня после начала опыта.
По прошествии 14 дней это влияние бывало выражено более четко, чем через
7 дней, но характер изменений сохранялся. Это означает, что адаптации
к циклам необычной длительности не происходило. Опыты с Saintpaulia
проводились в течение более длительного времени, обычно в течение несколь-
ких месяцев, поскольку у этого растения реакция на изменившиеся условия
проявляется очень медленно.
РЕЗУЛЬТАТЫ
Было проведено около 10 отдельных опытов с томатами. В каждом опыте
по 8 растений выращивали при 4—7 различных длительностях цикла, трех
температурах и двух интенсивностях света. В целом поведение растений
было очень сходным при разных интенсивностях света и сильно зависело
от разной длительности цикла при разных температурах.
Фиг. 2 характеризует состояние растений, которые с 7 по 18 июля
содержались при световых циклах длительностью 18, 24, 30 и 36 час. При
15° самыми высокими оказались растения, выращенные при 30-часовом цикле,
и они же имели наибольший сырой вес. Второе место занимали растения,
содержавшиеся при 36-часовом цикле, а при 24-часовом цикле растения
были самыми низкими. При 20° развитие шло лучше всего при 30- и 24-часо-
вом цикле с оптимумом при 28-часовом, тогда как при 30° оптимальным
оказался 18-часовой цикл. Интересно, что при такой высокой температуре
был отмечен второй оптимум, при 36-часовом цикле (2 X 18). Хамнер
(см. стр. 444) и ряд других исследователей нашли, что циклы, кратные основ-
Термо- и фотопериодические явления
371
ному циклу (24 час при температурах, которыми они пользовались в своих
опытах), оказывают такое же влияние на зацветание (стимулирующее или
подавляющее), как и сам основной цикл.
Серия других опытов была проведена с целью более точного определения
оптимальной длительности цикла для томатов (фиг. 3). При оптимальной
Фиг. 2. Характеристики растений, выращивавшихся при различных температурах
и различной длительности светового цикла.
I — удлинение стебля в течение недели при 15°; II — то же при 20°; III — то же при 30°;
IV — сырой вес при 15°; V — то же при 20°; VI — то же при 30°; VII — длина 6-го листа при 15°;
VIII — то же при 20°; IX — то же при 30°. Интенсивность света во всех опытах 5000 — 6000 лк. При
каждой длительности цикла растения освещались в течение половины цикла (например, И час
света и 11 час темноты при 22-часовом цикле).
температуре (20°) влияние циклов с необычной длительностью было выра-
жено не столь отчетливо, как при суб- и супраоптимальных температурах.
Это можно видеть на фиг. 4, на которой показано среднее удлинение
стебля томата в 6—8 отдельных опытах. Эффект длительности цикла мал
при температуре 20—21°.
372
Ф. В е н т
У растений, выращивавшихся при 15° и четырех различных длитель-
ностях цикла (24, 27, 30 и 33 час), в шести случаях оптимальный рост был
отмечен при 27-часовом цикле и в двух случаях — при 30-часовом. При
усреднении результатов всех восьми опытов оптимальная длительность
цикла оказалась равной приблизительно 27,5 час. Из фиг. 4 видно, что
при 15° оптимальным является 27-часовой цикл. Об этом же свидетельствует
и фиг. 3, на которой изображены результаты отдельного эксперимента.
Фиг. 3. Растения томатов, сфотографированные 24 января 1958 г. после 2-недель-
ного выращивания при семи различных длительностях светового цикла и при трех
различных температурах.
Длительность темнового и светового периодов (в часах) указана под каждой группой растений.
Интенсивность света 5000 лк.
Для 30° (из усреднения результатов шести экспериментов) оптимальная
длительность цикла оказалась равна 20 час или немного меньше (см. фиг. 4).
То же самое явствует из фиг. 3. Таким образом, результаты всех опытов
совпадают. Несколько позднее (в 1960 г.) сходные данные получил Кете-
лапер.
Если вместо удлинения стебля измеряли сырой или сухой вес или же
длину листьев, то и в этом случае получали те же значения для оптимальной
длительности цикла. Это свидетельствует о том, что длительность цикла
влияет у томатов не только на «конечный результат» роста, но и на все
процессы,’от которых зависит рост, иными словами,— что механизмы цир-
кадных ритмов лежат в самой основе развития растений.
Термо- и фотопериодические явления
373
Другие растения, на которых изучали процессы роста в зависимости
от циклов освещения разной длительности, вели себя весьма сходным обра-
зом; на двух фотографиях (фиг. 5 и 6) показаны растения Baeria chrysostoma
и Saintpaulia ionantha. Эти растения резко различаются по основным тем-
пературным характеристикам. Первые погибают, если их выращивать при
температуре 26° [8, 9] и хорошо растут при более низких температурах,
Фиг. 4. Среднее удлинение стебля у растений томатов, выращивавшихся в течение
недели при разных температурах и разной длительности цикла освещения.
I — 15°, среднее из двух опытов; II — 15°, среднее из шести опытов; III — 30°, среднее из
шести опытов. Интенсивность света 5000—6000 лк. При каждой длительности цикла растения
освещались в течение половины цикла.
тогда как вторые погибают при температуре 10°, если оставить их в таких
условиях на достаточно длительное время. Тем не менее при одной и той же
температуре оптимальная длительность циклов оказывается у обоих видов
растений приблизительно одинаковой. На фиг. 5 видно, что растения Baeria
наилучшим образом развиваются при температуре 14° и 33-часовом цикле
и что при 30° и 24-часовом цикле они растут с трудом и в конце концов
погибают. Однако та же фигура показывает, что в условиях 20-часового
цикла они могут расти и при 30°. У Saintpaulia оптимальный рост наблю-
дается при 20°, а повышение и понижение температуры вызывает соответ-
ственно сокращение или увеличение оптимальной длительности цикла.
В одном из опытов [6] растения Saintpaulia погибали при 10° и 24-часовом
Фиг 5 Растения Baerta chrysostoma после 2-месячного роста при интенсивности света
5000 лк
Фиг 6 Растения Saint paulia tonantha после 2-месячного роста при интенсивности
света 5000 лк
Термо- и фотопериодические явления 375
цикле, но хорошо развивались при той же температуре и 32-часовом цикле.
В другом опыте аналогичным образом вели себя растения Begonia semper-
florens [10].
ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ
На фиг. 7 сведены воедино все результаты, обсуждавшиеся выше.
Оптимальные длительности цикла для роста растений и никтинастических
движений листьев Phaseolus изображены как функции температуры. Из этих
данных (так же как и из других опубликованных кривых того же рода
[6, 11]) следует, что циклические процессы в высших растениях ведут себя
Ф иг. 7. Оптимальная длительность светового цикла при разных температурах.
I — Baeria; II — томаты; III — Phaseolus (движения листьев); IV — Saintpaulia- Для сравнения
даны два графика, построенные для Qio — 1,2 hJQjo — ЬЗ.
при изменении температуры весьма сходным образом и характеризуются
коэффициентом Qlo в пределах 1,2—1,3.
Можно было бы попытаться согласовать эти результаты с тем фактом,
что биологические часы у других организмов не зависят от температуры,
что позволило Бюннингу [12] и Питтендраю [13] создать свои гипотезы
о природе этих часов. Нам представляется, однако, более целесообразным
ограничиться пока рассмотрением ритмов одних только высших растений,
отложив на время всякие попытки свести воедино представления, выработан-
ные при изучении разных групп организмов. Ведь если механизмы биоло-
гических часов у разных) групп организмов действительно различны,
то ясно, что закономерности, обнаруженные для одной из групп, никак
нельзя приложить к какой-либо другой группе, ибо это может привести
только к путанице. Различие между зависящими от температуры биологи-
ческими часами высших растений и не зависящими от температуры биологи-
ческими часами животных и низших растений (см. обзор Бюннинга [12])
является важным аргументом в пользу того, чтобы рассматривать ритмы
высших растений отдельно.
376
Ф. В е н tn
Бюннинг считает результаты Лейнвебера [14], указывающие на неза-
висимость часов Phaseolus от температуры, более существенными, чем свои
собственные предшествующие опыты. Как указывалось ранее [6], мы под-
твердили данные, полученные Бюннингом в 1934 г., о температурной зави-
симости ритмов растений, причем установили, что эта температурная
зависимость не объясняется переходными процессами. Поэтому доводы
Бюннинга против его собственных опытов кажутся нам неубедительными.
Другой пример 24-часового не зависящего от температуры ритма у высших
растений, который приводит Бюннинг [12], описан в работе Болла и Дайка
[15]. Речь идет о 24-часовом ритме роста колеоптилей овса. Исходя из дан-
ных Халла, Вента и Ямада [16] ритмы роста колеоптилей овса можно объяс-
нить влиянием изменений в составе воздуха на нормальные процессы роста.
Этот рост характеризуется определенным основным ритмом: скорость его
увеличивается на 3-й день и затем уменьшается на 4-й или 5-й день. Загряз-
нение воздуха тормозит рост в определенное время (около полудня) каждые
24 час1. В результате получается многовершинная кривая роста; на этой
кривой легко можно обнаружить 24-часовые периоды (или периоды несколько
длиннее или короче 24 час, в зависимости от того, в какой фазе основного
периода происходит подавление роста), которые, очевидно, не должны зави-
сеть от температуры. Поэтому опубликованные данные в пользу того,
что бюннинговский цикл у высших растений не зависит от температуры,
нельзя считать убедительными: они не противоречат данным, по которым
Qlo равен 1,2—1,3.
Нормальное развитие томатов происходит лишь при последовательной
смене света и темноты или высокой и низкой температуры с 24-часовым
периодом [5]. При постоянной температуре и непрерывном освещении расте-
ния становятся хлоротичными и растут очень медленно. Следовательно,
нормальное их развитие зависит от какого-то внутреннего процесса, который
должен быть синхронизирован с внешними условиями световыми или тем-
пературными циклами. Однако такая синхронизация возможна лишь при
24-часовом периоде. Настоящее исследование добавляет два важных момента
к этому утверждению:
1. Внешний цикл затягивает внутренний эндогенный ритм. Если периоды
обоих процессов отличаются хотя бы на 10%, то развитие растений происхо-
дит ненормально и эффект, проявившийся в первые несколько дней, сохра-
няется в течение последующих недель. Адаптации, которая выправляла бы
несовершенство затягивания, не существует. Длительная задержка роста
указывает на то, что в течение всего периода этой задержки сохраняется
угнетающее влияние, связанное с несовпадением по фазе внутреннего и внеш-
него циклов; степень несовпадения фаз определяет степень подавления роста.
2. Коэффициент Qi0 Для механизма биологических часов равен прибли-
зительно 1,2—1,3, и это дает основание предполагать, что внутренние ритмы
зависят от каких-то процессов типа диффузии. Поэтому предложенный Гал-
стоном (1959) механизм, основывающийся на адаптивном синтезе ферментов,
не может быть принят. Как всякая химическая система, процесс адаптив-
ного синтеза ферментов должен быть подвержен влиянию температуры,
и значение Qi0 для этого процесса должно лежать в пределах 2—3.
Теперь мы можем попытаться свести все явления, известные у высших
растений, в общую картину.
1 Такое объяснение полуденной депрессии процессов роста растений не бес-
спорно (см. Д. С. Чернавский, Н. М. Чернявская, Усп. физ. наук,
72, вып. 3, стр. 627, 1960).— Прим. ред.
Термо- и фотопериодические явления
377
1. Существует механизм, определяющий реактивность. Этот механизм
характеризуется автономным 24-часовым ритмом (никтинастические движе-
ния листьев, митозы [17], движения цветков [18]). Периодическое измене-
ние реактивности осуществляется и при полном отсутствии внешних синхро-
низаторов. Периодичность реактивности определяется, таким образом, эндо-
генным часовым механизмом, возможно совпадающим с механизмом, опре-
деляющим реактивность. Более сложные гипотезы предполагают существо-
вание отдельного часового механизма, который затягивает колебания реак-
тивности [13]; при этом считают, что даже самые простые периодические
явления основаны на механизме затягивания, включающем периодические
сигналы, посылаемые часами и воспринимаемые механизмом, определяющим
реактивность. Однако, поскольку, например, митоз обладает присущей ему
периодичностью, не обусловленной внешними стимулами, можно сделать
простейшее предположение о том, что периодичность реактивности обусло-
влена свойствами самого механизма, определяющего реактивность.
2. Процесс восприятия различных воздействий также характеризуется
периодичностью. Это доказывается необходимостью 24-часовых циклов
смены света и темноты или температурных изменений для нормального
развития томатов или для зацветания растений с выраженной фотопериоди-
ческой реакцией (см. Хамнер, стр. 444). Поскольку мы знаем, что механизмы,
определяющие восприятие и реактивность, по крайней мере в случае фото-
периодизма, пространственно разделены, один и тот же часовой механизм
не может контролировать и процессы реагирования и процессы восприятия.
Поэтому мы вынуждены предположить, что механизм, воспринимающий
фотопериодическое воздействие, будучи сам по себе периодическим, запус-
кает в ход целую последовательность промежуточных периодических про-
цессов.
3. Эта последовательность периодических реакций, начинаясь с меха-
низма, определяющего восприятие, доходит до механизма, определяющего
реактивность, который также является периодическим. В результате коле-
бания механизма, определяющего реактивность, затягиваются колебаниями
механизма, определяющего восприятие.
На основе перечисленных выше экспериментальных фактов можно
сделать следующие простейшие предположения.
Периодические изменения во внешних условиях, имеющие примерно
24-часовой цикл, воспринимаются процессами, период которых зависит
от внешних условий. Это приводит в движение промежуточные периодиче-
ские процессы, причем период сохраняется. Затем промежуточные периоди-
ческие процессы входят в контакт с механизмами, определяющими реактив-
ность, которые обладают автономным 24-часовым ритмом. Именно этот
последний часовой механизм характеризуется коэффициентом Qi0, равным
1,2—1,3. Чем сильнее отличается длительность периодов промежуточ-
ных процессов и механизма, определяющего реактивность, тем слабее
затягивание и тем хуже протекают процессы, зависящие от часового
механизма.
Автономный часовой механизм характеризуется не только тем, что он
в какой-то мере зависит от температуры, но также и тем, что он не хранит
абсолютное время; иными словами, неполное затягивание переключает
часы. Когда задают, например, 24-часовой цикл в то время, как часы рабо-
тают по 20-часовому периоду, то бурного ускорения роста каждые пять
дней не наблюдается, хотя с абсолютными часами раз в пять дней должна
была бы наступать синхронизация. Это очень напоминает результаты, полу-
ченные Лоббан при изучении выведения воды из организма человека. Опыты,
378
Ф. В е н т
проделанные мной ранее ([2], фиг. 66; [6], фиг. 1), позволяют сделать другое
заключение о природе этого часового механизма. Если общее количество
света, получаемое томатами в течение дня при оптимальной температуре,
разделить на два или три световых периода, прерываемых темнотой, то рост
растений, а также прирост сырого и сухого веса не уменьшится, если только
последний из световых периодов не придется на скотофильную фазу (о чем
можно судить по углу между черенком листа и стеблем). Следовательно,
концепция Бюннинга [12] по поводу напряжения, которое возникает внутри
системы, подвергающейся воздействию 24-часового цикла, и которое может
усиливаться или ослабевать в зависимости от того, с какой фазой системы
(фотофильной или скотофильной) совпадает световой период, более всего
соответствует имеющимся фактам. Отметим, впрочем, что поскольку цикл
свет — темнота может быть заменен температурным циклом, лучше гово-
рить не о фотофильной и скотофильной фазах, а о фазах расслабления
и напряжения, как это и делает Бюннинг теперь.
Переходим к обсуждению причин, по которым Q10 для часового меха-
низма имеет малую величину. Близость Qlo к единице можно объяснить
по-разному.
1. Можно предположить, что в своей основе этот часовой механизм,
как и большинство химических процессов в клетке, имеет Qlo в пределах
2—3, однако кроме него имеется еще другой, противоположно направлен-
ный процесс, который характеризуется несколько меньшим Qlo. Тогда
общий Q10 этой системы из двух процессов будет равен 1,2—1,3. Против
такого объяснения можно выдвинуть ряд возражений: а) управление одним
процессом с помощью двух механизмов неизбежно должно вести к высокой
вариабельности, а между тем при оптимальных условиях культивирования
вариабельность роста растений очень мала [19]; б) если бы такое объяснение
было правильным, то тогда для часовых механизмов у разных растений
имелся бы широкий диапазон значений Qlo в зависимости от степени компен-
сации температурных эффектов при взаимодействии противоположно напра-
вленных процессов. Но если бы существовала такая компенсация темпера-
турных эффектов, то она могла бы обусловить температурную адаптацию.
Между тем мы знаем, что такие тропические растения, как Saintpaulia
и Begonia, не могут жить при низких температурах (около 10°), вероятно,
потому, что их циркадный ритм синхронизирован с 24-часовым внешним
циклом высоких температур, растения же умеренных областей, такие, как
Baeria и Bellis, не переносят высоких температур, ибо их часовой механизм
синхронизирован с 24-часовым циклом низких температур. Поэтому я пола-
гаю, что Qlo, характеризуемый величинами 1,2—1,3, не обусловлен компен-
сацией температурных эффектов в разных процессах.
2. Другая возможность объяснить температурную независимость состоит
в том, чтобы принять гипотезу Брауна, согласно которой растения воспри-
нимают какой-то неизвестный внешний периодический стимул с 24-часовым
периодом и это синхронизирует их собственное чередование фаз, со сдвигом
этих фаз или без сдвига. Именно таким способом объясняли периодические
движения листьев до тех пор, пока опытами Бюннинга [20] и Клейн-
хонте [21] не было доказано отсутствие в этом случае какого-либо внешнего
синхронизирующего воздействия. Для томатов, например, этот гипотетиче-
ский внешний сигнал оказался явно недостаточным; растения, очевидно,
не воспринимали его, ибо они плохо росли при постоянной температуре
и непрерывном освещении. Таким образом, циркадный ритм в условиях
интенсивных световых и температурных воздействий нельзя объяснить суще-
ствованием внешнего сигнала, воспринимаемого растениями.
Термо- и фотопериодические явления
379
3. Наиболее вероятным объяснением представляется мне предположе-
ние о том, что циркадный часовой механизм высших растений зависит
не от химических процессов, а от процессов диффузии. Химические процессы
включают активацию молекул. В зависимости от количества энергии, необ-
ходимой для активации этих процессов, их Qlo может изменяться и дости-
гать 2. При низких энергиях активации эти процессы протекают спонтанно
и Qio не может быть измерен.
С процессом диффузии дело обстоит иначе. Диффузионное движение
всех молекул при повышении температуры ускоряется в среднем одинаково
с Qio = 1,2. Диффузионный процесс не может быть скомпенсирован и мало
зависит от воздействий других физических факторов, кроме температуры
(если только речь не идет о диффузии через полупроницаемые мембраны).
Поскольку малые молекулы очень быстро диффундируют на короткие
расстояния, характерные для клеток или для меристемы в целом, диффузия
может быть основой периодики только в том случае, если лимитирующими
факторами являются макромолекулы. Таким образом, я предполагаю, что
в циркадный ритм вовлечен диффузионный процесс, осуществляющийся
в цитоплазме и в ядрах меристематических клеток. Конкретная природа
этого диффузионного процесса должна еще быть изучена, но интересно
следующее:
1. Циркадные ритмы имеются только у организмов с хорошо выражен-
ными ядрами.
2. Клетки меристемы всегда имеют размеры одного и того же порядка
независимо от размеров самого растения.
Приведенные выше соображения неприложимы к циркадным ритмам
животных и, таким образом, не претендуют на всеобщность, но, как уже
было отмечено, нет достаточных оснований полагать, что циркадные
ритмы возникли на ранних этапах эволюции. Поэтому циркадные ритмы
растений, характеризующиеся определенной (хотя и слабой) зависимостью
от температуры, можно рассматривать отдельно от циркадных ритмов
животных. Попытка отыскать их особые, самостоятельные причины вполне
оправдана.
ЛИТЕРАТУРА
1. S а с h s J., Physiologische Untersuchungen fiber die Abhangigkeit der Keimung
von der Temperatur, Jahrb. wiss. Bot., 2 (repr. in Ges. Abh. 1, 49—83, 1892)
(1860).
2. Went F. W., The Experimental Control of Plant Growth, Waltham, Mass., Chro-
nica Botanica Co (1957).
3. G a r n e r W. W., A 1 1 a r d H. A., Flowering and fruiting of plants as controlled
by the length of day, Yearbook of the U. S. Dept, of Agric., 377—400, 1920.
4. H a n s о n J. В., H i g h k i n H. R., Possible interaction between light-dark
cycles and endogenous daily rhythms on the growth of tomato plants, Plant Phy-
siol., 29, 301—302 (1954).
5. H i 1 1 m a n W. S., Injury of tomato plants by continuous light and unfavorable
photoperiodic cycles, Am. J. Botany, 43, 89—96 (1956).
6. W e n t F. W., The periodic aspect of photoperiodism and thermoperiodicity,
p. 551—564. Photoperiodism and Related Phenomena in Plants and Animals,
ed. Withrow, Washington, A. A. A. S., 1959.
7. В о n d e E. K-, The effect of various cycles of light and darkness on the growth
of tomato and cocklebur plants, Physiol. Plant., 8, 913—923 (1955).
380
Ф. В ент
8. Lewis Н., Went F. W., Plant growth under controlled, conditions, IV Respon-
se of California annuals to photoperiod and temperature, Amer. Jour. Bot., 32,
1—12 (1945).
9. L о о S. W., Preliminary experimet on the cultivation of Baeria chrysostoma
under sterile conditions, Amer. Jour. Bot., 33, 382—389 (1946).
10. Went F. W., Some theoretical aspects of effects of temperature on plants, p. 163—
174. Influence of Temperature on Biological Systems, 1957.
11. Went F. W., Periodic aspects of photoperiodism and thermoperiodicity, Publ
№ 34, Ser. B. de 1’U. J. S. B. — Colloque International sur le Photothermoperio-
dism, Parma, 131 —139 (1957).
12. Bunning E., Die physiologische Uhr, Berlin, Springen-Verlag, 1958.
13. Pittendrigh C. S., Bruce V. G., Daily rhythms as coupled oscillator
systems and their relation to thermoperiodism and photoperiodism, p. ‘475—505.
Photoperiodism and Related Phenomena in Plants and Animals, ed. Withrow,
Washington, A. A. A. S., 1959.
14 Leinweber F. J., Uber die Temperaturabhangigkeit der Periodenlange bei
der endogenen Tagesrhythmik von Phaseolus, Z. Botan., 44, 337—364 (1956).
15. В a 1 1 N. G., Duke J. J., The effects of decapitation, lack of oxygen, and low
temperature on the endogenous 24-hour rhythm in the growth rate of the Avena-
coleoptile, J. Exp. Bot., 8, 323—338 (1957).
16. H u 1 1 H. M., Went F. W., Y a m a d a N., Fluctuations in sensitivity of the
Avena test due to air pollutants, Plant Physiol., 29, 182—187 (1954).
17. Bunning E., Uber den Tagesrhythmus der Mitosehaufigkeit in Pflanzen, Z. Bo-
tan., 40, 193—199 (1952).
18. Overland L., Endogenous rhythm in opening and odor of flowers of Cestrum
nocturnum, Amer. Jour. Bot., 47, 378—382 (1960).
19. W e n t F. W., The effect of temperature on plant growth, Ann. Review Plant
Physiol., 4, 347—362 (1953).
20. В ii n n i n g E., Untersuchungen uber die autonomen tagesperiodischen Bewegun-
gen der Primarblatter von Phaseolus multiflorus, Jahrb. Wiss. Botan., 75, 439—
480 (1932).
21. Kleinhoonte A., Untersuchungen uber die autonomen Bewegungen der
Primarblatter von Canavalia ensiformis, Jb. Wiss. Bot., 75, 679—725 (1932).
X. X А Й к и Н
Влияние постоянной температуры
и непрерывного освещения на рост
и развитие гороха
о
После того как при Калифорнийском технологическом институте была
создана специальная лаборатория по изучению растений, открылись воз-
можности для детального изучения реакции растений на тщательно контро-
лируемые изменения условий внешней среды.
Нам казалось необходимым в первую очередь поставить в этой лабора-
тории опыты по изучению влияния различных внешних условий на наслед-
ственную систему организма. Результаты такого рода опытов, выполненных
в течение последних семи лет, я и предполагаю здесь изложить. В качестве
экспериментального материала мы использовали две высокоинбредные
линии гороха: Ь5 и Unica. Растения отдельных вариантов опыта сперва
выращивали на протяжении ряда поколений при различных условиях,
а затем помещали в одинаковые условия, где они тоже выращивались
на протяжении ряда поколений. Рост и поведение растений тщательно
прослеживались во всех поколениях как до, так и после смены условий.
Для уменьшения изменчивости применялась следующая система поддержа-
ния чистой линии: от каждого растения в популяции, выращиваемой при
данных экспериментальных условиях, для продолжения линии отбиралась
Коэффициент изменчивости у растений,
выращивавшихся на протяжении ряда поко-
лений при постоянной температуре 10°
Число поколений, выращивавшихся при 10° Коэффициент изменчивости
0 0,14
1 0,095
3 0,081
5 0,085
первая горошина из первого образовавшегося боба. Таким образом, веро-
ятность накопления мутаций, происходящих во время эксперимента,
была минимальной; незначительность влияния мутаций и отбора на ре-
зультаты опытов следует и из практически одинаковой реакции всех
особей популяции на данное изменение внешних условий. Статисти-
чески значимые мутации, когда их не удается исключить, обычно накап-
ливаются от поколения к поколению, в результате чего возрастает измен-
чивость признаков. Однако в наших опытах этого не наблюдалось.
382
X. X а й к и н
Изменчивость популяции была в каждом поколении очень низкой и на
протяжении всех опытов оставалась относительно постоянной. Таблица
характеризует изменчивость, обнаруженную в ряде последовательных по-
колений, выращенных при 10°.
РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТОВ
ВЛИЯНИЕ постоянных УСЛОВИЙ
Прежде всего были поставлены опыты по изучению влияния неизменных
условий внешней среды (16 час света и 8 час темноты при постоянных тем-
пературах 10, 14, 17, 20 и 23°) на популяцию гороха в течение нескольких
поколений. Использовалось освещение от люминесцентных ламп и дополни-
тельно от 60-ваттных ламп накаливания. Интенсивность света составляла
приблизительно 10 000 лк. Результаты этой серии экспериментов приведены
на фиг. 1. Выращивание при постоянной температуре, в данном случае при
Фиг. 1. Влияние выращивания при постоянной температуре
на рост растений.
I - L5; II — Unica.
10°, приводило к непрерывному падению силы роста от поколения к поколе-
нию и наконец к вырождению всей популяции. После 6-го поколения при
10°, а при более высоких температурах и раньше, значительная часть попу-
ляции давала невсхожие семена; иногда возникали также различные ано-
малии, например кустистость (в результате отмирания точки роста и разви-
тия боковых побегов). Поэтому такого рода опыты трудно было проводить
дальше 5-го или 6-го поколения.
Нормальную силу роста можно было, однако, вновь восстановить,
поместив растения в условия меняющейся температуры, как показано-
на фиг. 2. В этих опытах использовали семена, полученные после выращи-
вания растений на протяжении пяти поколений при постоянной темпера-
туре 10°. Растения, развившиеся из этих семян, росли в условиях 16-часового
дня (естественный день дополнялся светом ламп накаливания) при 20е1
Влияние постоянной температуры и непрерывного освещения 383
и 8-часовой ночи при 14°. Рост их сравнивали с ростом растений, выращен-
ных из семян популяции, находившейся в течение пяти поколений
в таких же меняющихся условиях. В 6-м поколении (т. е. в 1-м поколении
после изменения условий) рост растений, выращенных из семян популяции,
находившейся в переменных условиях, почти вдвое превышал рост расте-
ний, выращенных из семян популяции, содержавшейся при постоянной
температуре. Таким образом, в этом поколении на росте растений ясно
сказывалось влияние условий существования предыдущих поколений.
В следующем, т. е. 7-м, поколении не наблюдалось статистически достовер-
ного различия между этими двумя линиями, если они выращивались при
переменной температуре. Итак, из одних этих данных можно было бы
заключить, что полное избавление от вредного действия постоянной тем-
пературы происходит в течение двух поколений. Однако, когда растения
Фиг. 2. Влияние на рост условий существования предыдущих
поколений.
двух^линий выращивались при постоянной температуре, семена растений
бывшей линии постоянной температуры были значительно мельче семян
растений линии переменной температуры. Это различие сохранялось в тече-
ние трех или четырех поколений, уменьшаясь с каждым поколением, так
что в 11-м поколении (т. е. 4-м, если считать с момента изменения условий)
оно едва достигало 5-процентного уровня значимости.
Для того чтобы исчезли последствия вредного действия выращивания
при постоянной температуре, необходимо выращивать растение при пере-
менной температуре на протяжении примерно стольких же поколений,
сколько поколений потребовалось для нарушения роста (в степени, указан-
ной на фиг. 1).
г
________I________I_______I_______I________I_______I________I
5 10 15 20 25 30 35
Время, дни
Фи г. 3. Последствия выращивания растений в постоянных условиях.
I — постоянная температура (10°); II — переменная температура (23 — 17°).
Стрелки с буквой Ц указывают начало цветения (сплошная — для варианта I,
прерывистая —для варианта II).
________i I I______________।
10 20 30
Время, прошедшее с начала цветения , дни
Ф и г. 4 Содержание белка в семенах в зависимости от условий выращивания
предыдущих поколений.
I — постоянная температура (10°); II — переменная температура 23—17°).
Влияние постоянной температуры и непрерывного освещения
385
Последствия выращивания в постоянных условиях были изучены также
и в опытах, поставленных несколько иначе. Горох (линия Ь5) выращивали
либо при постоянной температуре 10°, либо при 23° днем и 17° ночью. Когда
5-е поколение каждого варианта выращивали при искусственном освещении
и постоянной температуре 17°, растения варианта постоянной температуры
(10°) зацветали на целую неделю раньше, чем растения варианта переменной
температуры. Поскольку первый цветок образовывался в обоих вариантах
на одном и том же узле (а именно на 9-м), это различие явно обусловливалось
более быстрым ростом (или большей скоростью образования узлов) у растений
первого варианта. Следует отметить, что растения этих двух вариантов
резко различались и по своей конечной высоте (фиг. 3).
БИОХИМИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ
Робертсон, Хайкин и Вент [1] изучали изменения концентрации неко-
торых метаболитов в семенах растений, выросших из семян, полученных
в различных условиях. Здесь мы рассмотрим только один из многочислен-
ных вариантов использованных условий и только один биохимический пока-
затель — белковый азот. Данные, приведенные на фиг. 4, показывают, что
условия существования предыдущих поколений влияют не только на рост
и скорость развития растений, выращиваемых в одинаковых условиях,
но и на химический состав их семян. Этот опыт также был проведен с расте-
ниями гороха линии Ь5. Семена для анализа получали с растений, выращи-
ваемых в условиях 16 час света -j- 8 час темноты при постоянной темпера-
туре 14°.
ВЛИЯНИЕ АНОМАЛЬНОГО СВЕТОВОГО РЕЖИМА НА РОСТ
И РАЗВИТИЕ
В первых экспериментах сравнивался рост растений при относительно
постоянных условиях, в частности при постоянной температуре, с ростом
растений при суточных колебаниях температуры, что ближе к природным
условиям. Для этой цели, как было указано выше, подопытные растения
выращивались на 16-часовом дне с применением искусственного освещения
от люминесцентных ламп (интенсивность света ~10 ООО лк). Контрольные
растения выращивались также на 16-часовом дне в теплице с температурой
днем 20° и ночью 14°. Ясно, что, помимо разницы в температурном режиме,
контрольный и опытный вариант серии отличались также и освещенностью
(в одном случае свет естественный, в другом — искусственный). Однако,
поскольку было показано (Вент), что многие растения нуждаются для опти-
мального роста в переменных температурах, нам казалось особенно инте-
ресным сравнить сначала влияние на рост и развитие растений постоянных
и меняющихся температур. На фиг. 5 приведены результаты опытов, в кото-
рых сравнивался рост гороха Ь5 при искусственном освещении и переменной
температуре (20° днем и 14° ночью) с ростом при постоянной температуре
(20°). Действительно, переменная температура ускоряет рост растений, что
согласуется с результатами Вента [5]. Предварительные опыты показали,
что имеется очевидная связь между температурным режимом и проявлением
влияния условий существования предыдущих поколений (carry-over effect).
Однако необходимо еще установить, какое из рассматриваемых и контроли-
руемых переменных условий полностью или частично ответственно за этот
эффект.
Артур и др. [2] показали, что растения томатов при непрерывном осве-
щении приобретают аномальный, некротический вид. У гороха непрерывное
386
X. X а й к и н
освещение приводило, напротив, к лучшему росту, чем укороченные фото-
периоды (16-часовой день). Вместе с тем Хайкин и Хэнсон [3] обнаружили,
однако, что 48-часовые циклы (24 час света и 24 час темноты) вызывают ненор-
мальный рост и у томатов, и у гороха. На фиг. 6 можно видеть растения,
типичные для этих трех световых режимов. Эти растения были выращены
при температуре 14°, но точно такие же результаты получались и при 17 или
20°. Кривые роста для растений, изображенных на фиг. 6, представлены
на фиг. 7. Можно видеть, что при непрерывном освещении скорость роста
(так же, как и скорость созревания) значительно возрастает по сравнению
с условиями 16-часового дня или 48-часового цикла (24 час света и 24 час
темноты). На основании этих результатов можно было предположить, что
24-часовой темновой период слишком велик. Чтобы проверить это предпо-
ложение, мы выращивали растения гороха в условиях 48-часового цикла
с 24-часовым основным световым периодом и дополнительным 2-часовым
освещением в начале, середине или конце темнового периода. Их сравни-
вали с теми растениями, которые выращивались в условиях 48-часового
Фиг. 5. Рост растений гороха при постоянной и переменной тем-
пературе.
I — постоянная температура (20°); II — переменная температура (20 — 14°).
цикла с непрерывным 24-часовым затемнением или 24-часового цикла с про-
должительностью светового периода в 16 и 12 час. На фиг. 8 приведены
результаты этих экспериментов. Рост растений был наиболее медленным,
когда 24-часовой темновой период прерывали путем добавления 2 час
освещения в самом начале этого периода. Быстрее росли растения при введе-
нии освещения в середине и особенно в конце темнового периода, но всего
быстрее они росли и созревали в условиях непрерывного освещения.
Хиллмен обнаружил, что вредное влияние непрерывного освещения
на томаты можно устранить действием переменной температуры. Решено
было поставить опыт, чтобы выяснить, можно ли действием переменной тем-
пературы погасить также и вредный эффект 48-часового цикла.
Результаты этого опыта приведены на фиг. 9, где видно, что выращива-
ние при переменной температуре не снимает вредного действия 48-часового
Влияние постоянной температуры и непрерывного освещения
387
Фиг 6 Растения гороха, выращенные при постоянной температуре
(14°) и трех различных световых режимах
I — 16 час света + 8 час темноты II — 24 час света + 24 час темноты;
III — непрерывное освещение
Фиг 7 Кривые роста растений, изображенных на фиг 6
Обозначения те же, что на фиг 6
цикла. Как и в предыдущих экспериментах, рост растений в этих условиях
очень сильно замедлялся.
Затем мы приступили к изучению влияния освещения на несколько
поколений гороха. Влияние условий существования предыдущих поколений
(carry-over effect) было доказано опытами по выращиванию гороха в тече-
ние нескольких поколений либо на 16-часовом дне, либо в условиях
Время, мин
Фиг. 8. Сравнение влияния различных световых режимов при
постоянной температуре 20°.
1\— непрерывное освещение; II — 12 час света 4* 12 час темноты; III —
24 час света + 24 час темноты, темновой период прерывался в конце;
IV — то же,,темновой период прерывался в середине; V —то же, темновой
период прерывался в начале.
Время, дни
Фиг. 9. Влияние переменной температуры при различных
световых режимах.
I — непрерывное освещение (20 —14°); II — 16 час света + 8 час темноты
(20 — 14°); III — 24 час света + 24 час темноты при постоянной температуре;
IV — то же при переменной температуре (20 — 14°).
Влияние постоянной температуры и непрерывного освещения 389
непрерывного освещения. Температуру в этих опытах поддерживали на по-
стоянном уровне, в разных вариантах различном (14, 17 или 20°). Нафиг. 10
показана разница в росте растений, выращенных при непрерывном осве-
щении из семян, полученных при двух разных световых режимах. Растения
из семян, образовавшихся при непрерывном освещении, росли быстрее,
чем растения из семян второго варианта. Кривые роста тех же двух групп
растений, но в условиях 16-часового дня показаны на фиг. 11, и в этих усло-
виях растения из семян, образовавшихся при непрерывном освещении,
росли, как мы видим, быстрее. Эти опыты заставляют предположить, что
создание запаса питательных веществ дает режиму непрерывного освещения
преимущество по сравнению с другими режимами в смысле воздействия
на последующие поколения.
ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ
Наши опыты показывают, что постоянная температура вредно влияет
на рост и развитие растений гороха. Как явствует из сообщений других
авторов, этот эффект проявляется не только у гороха. Вент [5] установил,
что у томатов постоянная температура неблагоприятна как для образования
плодов, так и для вегетативного развития растений. Крамер [6] и Хэллмерс
[7] на примере сосны (Pirtus taedd) показали, что постоянная температура
может отрицательно влиять и на рост деревьев. Наши опыты, однако, сви-
детельствуют о том, что торможение роста проявляется более заметно
в последующих поколениях. Следовательно, этот эффект представляет
собой нечто большее, чем простое торможение роста, поскольку влияние
накапливается.
Слабый рост, характерный для растений последних поколений, выра-
щиваемых при постоянных условиях, не удается немедленно довести
до нормы путем изменения условий. Если на протяжении нискольких поко-
лений выращивать растения во вредных условиях постоянного режима,
а затем поместить их в переменные условия, то и здесь они будут разви-
ваться значительно хуже контрольных, т. е. тех, у которых и все предшест-
вующие поколения развивались в таких же переменных условиях. Этот
факт сам по себе не слишком удивителен, поскольку семя, полученное
от растения, выращенного при неблагоприятных условиях, должно, оче-
видно, дать менее сильное растение, чем семя, образовавшееся в благоприят-
ной среде. Удивительно, что это влияние проявляется на протяжении
нескольких поколений. Когда семя, полученное при неблагоприятных
постоянных условиях, дает два поколения в благоприятных переменных
условиях, растения фенотипически не отличаются от контрольных, в течение
многих поколений развивавшихся при таком же переменном режиме.
Но если затем семена от этих фенотипически неразличимых растений высеять
при постоянных условиях, то различие между обоими вариантами выявится
сразу же, несмотря на то что два предшествующих поколения обоих вариан-
тов росли в одинаковой благоприятной среде. Это различие сохраняется
по крайней мере в течение четырех поколений, несколько уменьшаясь
от поколения к поколению. Существует явная аналогия между этим явле-
нием и так называемыми длительными модификациями (Dauermodifikation),
описанными Йоллосом [8]. В опытах Йоллоса обработка растений Antirhi-
пит хлоралгидратом вызывала у них изменение, которое сохранялось
в течение многих поколений. В конце концов, после ряда'поколений, расте-
ния становились нормальными. Воздействие на горох в наших опытах,
Фиг. 10. Влияние условий существования предыдущих поколе-
ний при выращивании растений в условиях непрерывного освеще-
ния (и постоянной температуры 14°).
I — предыдущие поколения на непрерывном освещении; II — предыдущие
поколения на 16-часовом дне.
Фиг. 11. Влияние условий существования предыдущих поколе-
ний при выращивании растений на 16-часовом дне (при постоян-
ной температуре 14°).
I — предыдущие поколения на непрерывном освещении; II — предыдущие
поколения на 16-часовом дне.
Влияние постоянной температуры и непрерывного освещения
391
возможно, не было столь резким, как то, которым пользовался Йоллос
при получении длительных модификаций. Однако следует учесть, что пре-
бывание в постоянных условиях представляет собой нечто, для организмов
в высшей степени ненормальное; поэтому вполне можно допустить, что оно
влияет на растения не менее глубоко, чем обработка токсическим веществом.
Из наших опытов следует необходимость определенных колебаний
во внешних условиях на протяжении всего жизненного цикла растений
гороха. Одно из правдоподобных объяснений этого явления может состоять
в том, что 24-часовой внешний цикл соответствует внутреннему суточному
ритму активности, характерному для растений точно так же, как и для
животных. Другими словами, среда с постоянной температурой «несов-
местима» с «биологическими часами» растения. Ясно, что это объяснение
должно быть проверено в ходе дальнейшей экспериментальной работы.
Из этих опытов следует также, что фенотип растений определяется суммой
генетических факторов и усредненным влиянием настоящих и предшест-
вующих условий существования. Возможно, что при таком усреднении ста-
тистический вес данного фактора обратно пропорционален числу прошедших
поколений.
Опыты с .непрерывным освещением и циклами СТ 16 : 8 указывают,
что режим освещения, при котором выращивались предыдущие поколения,
также может влиять на развитие растений. Будет ли такое влияние прояв-
ляться только в одном или в ряде поколений,— это надо проверить с
помощью новых экспериментов. Однако уже сейчас ясно, что ход развития
растения в каких-либо конкретных условиях, равно как и интенсивность
и направление «биологической изменчивости», можно понять лишь в том
случае, если будут учтены условия существования не только данного
поколения, но также и предшествующих поколений.
Более подробное описание изложенных здесь экспериментов можно
найти в работах Хайкина [9, 10].
ЛИТЕРАТУРА
1. Robertson R., Н i g h k i n H. R., Went F. W., Unpublished.
2. A r t h u r J. M., Guthrie J. D., Newell J. M., Some effects of artificial
climates on growth and chemical composition of plants, Amer. Jour. Bot., 17,
416—482 (1930).
3. H i g h k i n H. R., Hanson J. B., Possible interaction between light and
dark cycles and endogenous daily rhythms on the growth of tomato plants, Plant
Physiol, 29, 301—302 (1954).
4. H i 1 1 m a n W. S., Injury of tomato plants by continuous light and unfavorable
photoperiodic cycles, Amer. Jour. Bot., 43, 89—96 (1956).
5. Went F. W., The effect of temperature on plant growth, Ann. Rev. Plant Phisiol.,
4, 347—362 (1953).
6. Kramer P. J., Some effects of various combinations of day and night tempera-
tures and photoperiods on height growth of Loblolly pine seedlings, Forest Scien-
ce, 3, 265—306 (1957).
7. H e 1 1 m e r s H., Unpublished.
8. J о 1 1 о s Y., Experimentelle Protistenstudien I. Arch. Protistenk., 43, 1—222
(1921).
9. H i g h k i n H. R., Temperature induced variability in peas, Amer. Jour. Bot.,
45, 628—631 (1958).
10. H i g h k i n H. R., Transmission of phenotypic variability within a pure line,
Nature, 182, 1460 (1958).
392
X. X а й к и н
ОБСУЖДЕНИЕ ДОКЛАДА
Шапиро. Я хотел бы снова подчеркнуть, что необоснованно рас-
сматривать строго постоянные условия (температура, свет и т. п.) как
нечто противоположное периодически меняющимся условиям. Со строго
постоянным освещением, температурой и т. д. организмы в нормальных
условиях никогда не встречаются; для целей эксперимента нам следует
уяснить существенную разницу между условиями постоянными, меняю-
щимися периодически и меняющимися непериодически. Я хотел бы спросить,
имеются ли какие-нибудь данные по эффекту воздействия непериодически
варьируемого света или температуры на ритмические процессы, которые
мы здесь обсуждали.
X а й к и н. В наших экспериментах мы стремились подобрать воз-
можно более «ненормальные» условия, чтобы тем самым углубить различия,
проявление которых мы наблюдали в ряде поколений. Что касается раз-
граничения условий постоянных, меняющихся периодически и меняющихся
непериодически, то мы прекрасно отдаем себе в этом отчет. Первые два
варианта мы могли создавать в «фитотроне». Последний вариант — неперио-
дическое изменение условий — наиболее труден, и я не знаю ни одной
лаборатории, где бы он был осуществлен. Для этого нужно было бы создать
«хаосотрон»; тогда такие опыты можно было бы поставить в условиях
«контролируемого хаоса».
Линкольн. Ценность Ваших наблюдений определяется генетиче-
ской однородностью материала, с которым Вы работали. Хотя Вы и указы-
ваете, что подопытные растения получены путем инбридинга на протяжении
по крайней мере 20 поколений и, следовательно, практически их можно
считать гомозиготными, все же нельзя ли допустить, что различия в усло-
виях температуры и освещения могут обусловливать отбор пыльцы и таким
образом определять изменения, проявляющиеся в потомстве.
X а й к и н. Как я уже указывал в начале своего выступления, мы рас-
смотрели возможность отбора гамет. Мы полагаем, что замысел экспери-
мента исключает возможность отбора пыльцы по следующим причинам:
1) наш способ выведения линии позволяет распознавать любые возможные
проявления отбора и мутации; 2) отсутствие влияния отбора и мутаций
в наших опытах следует также и из того, что все особи популяции одинаково
реагировали на данные изменения. При наличии мутаций и отбора измен-
чивость популяции от поколения к поколению должна была бы возрастать.
Однако в наших опытах этого не происходило. Изменчивость оставалась
низкой во всех поколениях вплоть до 6-го, в котором появлялись аномаль-
ные растения. Поэтому мы приводим результаты опытов при постоянной
температуре не далее 5-го поколения (см. фиг. 1 и таблицу).
К а л м у с. На Уэлшской селекционной станции были выполнены
опыты с различными семенами. В этих опытах влияние условий существо-
вания сказывалось по крайней мере в одном из последующих поколений
(на всхожести семян и на силе роста растений).
X а й к и н. По-видимому, д-р Калмус имеет в виду работу, о которой
докладывал д-р Даррент, а именно опыты со льном. Д-р Даррент показал,
что обработка льна некоторыми удобрениями влияет на потомство растений,
причем вызванные такой обработкой изменения сохраняются в ряде поко-
лений.
Б. ШВЕММЛЕ
Термопериодические эффекты, циркадные
ритмы и цветение растений
о
В ряде исследований, выполненных в последнее время, изучалась связь
между термопериодическими эффектами и суточными ритмами. Исходным
пунктом для этих работ послужило установление того факта, что для опти-
мального течения процессов развития и воспроизведения в растениях необ-
ходимо сочетать определенный режим чередования света и темноты с перио-
дическими колебаниями температуры [1, 2]. Отсюда, естественно, следует,
что температурные оптимумы процессов, происходящих в течение темнового
и светового периодов, различны. Изменения температуры с «суточным»
(24-часовым) периодом способны даже компенсировать вредное действие
неподходящего светового режима ([3, 4], а также доклад д-ра Вента на дан-
ном симпозиуме). Кроме того, в ряде экспериментов [5—7] было показано,
что реакция на изменение температуры зависит от того, в какой из двух
фаз эндогенного ритма находится растение. Резкое изменение температуры
приводит к совершенно различным результатам в зависимости от времени
действия. Приведем несколько примеров.
Изучая прорастание семян Capsella bursa pastoris, Зайн ул Абидин [8]
установил, что при кратковременном понижении температуры (с 30 до 10°)
в разное время на протяжении 48-часового цикла максимальное прорастание
наблюдается дважды. Понижение температуры производилось после 1-часо-
вого освещения, и интервал между максимумами составлял приблизительно
24 час (фиг. 1). При действии высокой температуры вместо максимумов
наблюдались минимумы прорастания. Таким образом, благоприятное влия-
ние переменной температуры на прорастание семян по крайней мере в неко-
торых случаях основывается на эндогенных суточных изменениях способ-
ности зародыша реагировать на изменение температуры. Как! показали
опыты Зайн ул Абидина, эти изменения можно регулировать светом. При
дальнейшем развитии проросших семян наблюдается аналогичная зависи-
мость скорости роста, накопления сухой массы и образования хлорофилла
от времени, к которому приурочено кратковременное повышение или пони-
жение температуры на протяжении 24-часового или более длительного цикла
([9, 10J и неопубликованные данные).
Существование суточных периодических изменений реакции на колеба-
ния температуры наиболее ясно проявляется при изучении перехода к цве-
тению у растений с ясно выраженной фотопериодической реакцией [11].
Рассмотрим сначала типичное растение длинного дня — Hyoscyamus
(однолетнюю разновидность). На фиг. 2 показаны результаты действия
повышенной (с 20 до 35°) или пониженной (с 20 до 5°) температуры во время.
394
Б. Ш в е м м л е
темнового периода цикла СТ 12 : 12. Действие повышенной или пониженной
температуры длилось 3 час в каждом случае. Если понижение температуры
совпадало по времени с началом или концом темнового периода, то оно
Время воздействия пониженной, температуры,час
Фиг. 1. Влияние 4-часового воздействия пониженной темпера-
туры (10°) в разные моменты 48-часового цикла на прорастание
семян Capsella bursa pastoris [8].
Общий процент прорастания определяли на 8-й день.
не оказывало никакого влияния на число листьев, образующихся в течение
эксперимента. Однако понижение температуры замедляло появление новых
листьев, если низкой температурой воздействовали в интервале между 3-м
.и^6-м или 6-м’и 9-м часом темнового периода. Повышение температуры (35°)
Контроль 3Z1
Число листьев
5° 35°
9,3 ±1,3 >21
9,7 ±0,7 19,0 ± 1,5
12,4 ±1,1 15,7 + 1,1
13,3 ± 1,0 13,8 ± 0,9
8,1 ±0,7 15,0 ± 1,3
IHIIIIIIII
III!______________I
0 3 6 9 12
Темновой период, час
20 °, темнота 'ПШШ 5 ° или 35°, свет
Фиг. 2. Влияние 3-часового воздействия пониженной или повы-
шенной температуры в световых циклах СТ12 : 12 на наступление
цветения у Hyoscyamus niger (растения длинного дня).
Указано число листьев, образовавшихся с начала опыта до появления пер-
вого цветка (средние по 7—10 растениям на каждую подопытную группу
и величины стандартного отклонения). В опыте с повышенной температурой
растения освещали люминесцентными лампами, а в опыте с пониженной тем-
пературой — лампами накаливания.
-оказывало обратный эффект, т. е. в интервале между 6-м и 9-м часом темно-
вого периода оно способствовало образованию листьев. Такое же влияние
температурные воздействия оказывают на время, прошедшее с начала опыта
до вытягивания стебля (фиг. 3). Поскольку у Hyoscyamus вытягивание
^стебля обычно совпадает с дифференцировкой завязей, срок, в который
юно наступает, может служить хорошим показателем хода развития растения.
Термопериодические эффекты и цветение растений
395
Обратимся теперь к растениям короткого дня. Повышение темпера-
туры до 35°, особенно в интервале между 6-м и 9-м часом темнового периода,
Фиг. 3. Время, прошедшее с начала опыта до вытягивания стебля
Hyoscyatnus niger, в условиях, указанных в подписи к фиг. 2 [11
и неопубликованные данные].
Температура в обычное время 20°. В контроле температура не менялась.
I - 35°; II — 5°.
сильно замедляет наступление цветения у Perilla ocymoides (фиг. 4), пока-
зателем чего является более позднее появление соцветий. Этот результат
Контроль Темновой период, нас
Фиг. 4. Появление соцветий у растения короткого дня Perilla
ocymoides в циклах СТ12 : 12 при действии повышенной и пони-
женной температуры в различные интервалы темнового периода.
Контрольные растения все время содержались при температуре 20°. Указано
число дней, прошедших с начала опыта до образования макроскопически за-
метного соцветия (среднее по 12 растениям). Отметим, что реакция на темпе-
ратурные воздействия у растения короткого дня прямо противоположна реак-
ции растения длинного дня (ср. фиг. 3).
7—35°; 77-5°.
согласуется с наблюдениями Накаяма [12], изучавшего влияние темпера-
туры на проростки Pharbitis nil — типичного растения короткого дня.
Накаяма обнаружил сильное замедляющее действие высокой температуры
396
Б. Ш в е м м л е
в интервале между 12-м и 14-м часом 16-часового темнового периода, т. е. при-
мерно через 20 час после начала светового периода.
В наших опытах с Perilla наступление цветения тормозилось повыше-
нием температуры в интервале между 6-м и 9-м часом темнового периода,
что также соответствует примерно 20 час с начала светового периода. Эти
результаты, а также опыты с циклами СТ 9:15 показывают, что действие
температуры зависит не от длительности светового периода, а от времени,
прошедшего с начала светового периода до момента воздействия. На Perilla,
так же как и на другие растения, понижение и повышение температуры дей-
ствуют противоположным образом. Так, понижение температуры до 5°
в начале или конце темнового периода не оказывало никакого действия,
однако такое же понижение температуры в интервале между 6-м и 9-м часом
темнового периода значительно ускоряло появление соцветий. Если же
на растения воздействовали пониженной температурой на протяжении всего
темнового периода, то цветение не наступало вообще, что согласуется с дан-
ными Велленсик [13]. Опыты с типичным растением короткого дня Cheno-
podium amaranticolor дали аналогичные результаты [11].
Все различия в характере реагирования на изменение внешних условий
проявляются также и в числе листьев, образовавшихся до появления пер-
вого цветка, иными словами, они проявляются в длительности той фазы
вегетативного развития, которая отделяет начало воздействия от наступления
цветения. Все это доказывает, что и высокая, и низкая температура, дейст-
вующая в различное время, влияет на фотопериодические реакции и что это
действие не сводится к простому ускорению или замедлению роста.
Интересно сравнить эти результаты с влиянием изменения светового
режима в соответствующие интервалы времени. Хорошо известно, что
у растений длинного дня кратковременное освещение в течение темнового
периода способствует наступлению цветения. Этот эффект особенно сильно
выражен при освещении в середине темнового периода. Наоборот, в соот-
ветствующих условиях у растений короткого дня освещение задерживает
начало цветения. У тех и у других действие кратковременного освещения
аналогично действию повышенной температуры (35°). Это согласуется
с результатами Зиува [14], который добился цветения у Xanthium, типич-
ного растения короткого дня, понижая температуру до 4° в течение первых
8 час 16-часового фотопериода. Таким образом, низкая температура дейст-
вует подобно темноте. В связи с этим представляют интерес наблюдения
Кристоферсена [4]. В опытах с томатами он обнаружил, что для получения
нормальных растений требуются либо 6—8-часовые периоды пониженной тем-
пературы при непрерывном освещении, либо 6—8-часовые темновые периоды
при постоянной температуре. В обоих случаях наблюдалось увеличение веса
по сравнению с растениями, находившимися в условиях непрерывного
освещения при постоянной температуре. Следовательно, и эти опыты под-
тверждают, что темнота и низкая температура могут заменять друг друга.
Имеются также предварительные данные о периодическом изменении реак-
ции на колебания температуры на протяжении светового периода суточного
цикла.
Итак, мы можем обобщить все имеющиеся в настоящее время сведения
следующим образом:
1. Реакция на свет и реакция на температуру изменяются в течение
суток параллельно. По влиянию на цветение высокая температура сравнима
со светом, низкая же действует подобно темноте. Таким образом, высокая
и низкая температура действуют на процесс образования репродуктивных
органов прямо противоположным образом.
Термопериодические эффекты и цветение растений
397
2. Растения короткого и длинного дня разнятся не только по своей
фотопериодической реакции, но также и по своей реакции на изменение
температурного режима. Фаза самого сильного действия температуры сов-
падает с фазой самого сильного действия света (во время темнового периода —
с максимальной чувствительностью к красному свету), или, более точно,
с максимальной фотофилией («светолюбием») у растений длинного дня и мак-
симальной скотофилией («темнолюбием») у растений короткого дня.
Рассмотрев эти результаты, мы склонны предположить, что периоди-
ческие изменения в реакции на свет и температуру регулируются некото-
рым эндогенным, «измеряющим время» процессом, начало которого совпа-
дает с началом светового периода. Перейдем к проблеме эндогенности этого
датчика времени. Хорошим объектом для исследования этой проблемы
может служить Kalancho'e blossfeldiana (сем. Crassulaceae) — типичное
растение короткого дня, фотопериодическое поведение которого было изу-
чено Хардером и его сотрудниками [15]. Эндогенную суточную периодич-
ность очень удобно изучать, пользуясь таким показателем, как движение
цветков этого растения [16, 17]. Результаты опытов с 3-часовым воздействием
на /С blossfeldiana повышенной температуры в течение темнового периода
цикла СТ 12 : 12 приведены в таблице [18].
Цветение у растения короткого дня Kalanchoe blossfeldiana при действии
высокой температуры в различное время на протяжении темнового периода
в условиях цикла СТ12 :12 [18]
Контроль № 1 (темпе- ратура ночью 2 0°) Контроль № 2 (темпе- ратура ночью 35°) Воздействие повышенной температурой (35°) в различное время на протяжении темнового периода
0—3 час 3—6 час 6—9 час 9 — 12 час
Число растений в группе 24 25 27 27 26 27
Число нецветущих растений 2 25 0 0 1 27
Число цветущих растений Число дней, прошедших с начала опыта до появле- 22 0 27 27 25 0
ния соцветий 41,1±0,5 — 26,3±0,3 30,4±0,3 35,8±0,6 —
В условиях цикла СТ 12 : 12, по-видимому, меньше всего нарушается
внутренний ритм растения, а длительность светового периода очень близка
к критической длине дня (12,5 час), так что влияние температуры должно
проявляться наиболее ярко. Из приведенной таблицы видно, что цветение
ускоряется, когда действие повышенной температуры (35°) приходится
на первую половину темнового периода. В группе растений, подвергав-
шихся действию повышенной температуры в интервале между 6-м и 9-м часом
темнового периода, число цветущих растений примерно совпало с их числом
в контроле № 1. В том же варианте, где повышение температуры приходи-
лось на конец темнового периода, цветение не наступало вообще (как
в контроле № 2). Таким образом, воздействие температурой 35° в течение
всего только 3 час, но в нужное время оказалось столь же эффективным,
как воздействие в течение всей ночи! У Kalanchoe так же, как и у других
растений, действие света во время темнового периода цикла СТ 12 : 12
давало совершенно тот же эффект, что и действие повышенной темпера-
туры [19].
398
Б. Ш в е м м л е
Эндогенный характер периодического изменения чувствительности
к изменениям температуры и освещенности следует и из того, что эти коле-
бания сохраняют свой период в долгопериодных циклах внешних условий.
В качестве показателя реактивности растений была выбрана термоустой-
чивость листьев. Термоустойчивость листьев точно так же, как и способ-
ность к закладке цветков, испытывает периодические изменения на протя-
жении циркадного цикла [20, 21]. В наших опытах мы разделяли растения
на группы и подвергали их кратковременному (30 мин) воздействию тем-
пературы 46° в разное время цикла СТ 12 : 12. Спустя 4 дня мы измеряли
степень повреждения поверхности листьев. При 24-часовом цикле (фиг. 5)
Фиг. 5. Термоустойчивость листьев Kalanchoe blossfeldiana в цик-
лах СТ12 : 12.
Показана степень повреждения 4-го листа (считая сверху) через 4 дня
после 30-минутного выдерживания в воде с температурой 46° (время обработки
указано на оси абсцисс). Термоустойчнвость листьев падала до минимума
в течение первой половины светового периода и достигала максимума в пер-
вую половину темнового периода.
термочувствительность листьев высока (а термоустойчивость низка) в пер-
вую половину светового периода. Затем она снижается и в первой половине
темнового периода бывает очень низкой (а термоустойчивость соответственно
высокой). Примерно с середины темнового периода чувствительность снова
возрастает, что согласуется с данными о замедлении цветения под действием
повышенной температуры. Такие же колебания термочувствительности
продолжаются и в постоянной темноте на протяжении примерно двух суток
(фиг. 6) (однако с некоторой тенденцией к ослаблению, как этого и следует
ожидать для эндогенного процесса после прекращения регулирующего
воздействия). Таким образом, имеются, по-видимому, основания предполо-
жить, что управление изменением чувствительности к повышению темпе-
ратуры происходит при помощи внутренних часов.
Связь между суточными периодическими колебаниями реакции Kalan-
choe на изменение температуры и внутренними часами наиболее наглядно
проявляется при сравнении этих колебаний с другим эндогенным периоди-
ческим явлением — суточными движениями цветков [18]. Благодаря недавно
опубликованной работе Олтманнса [22] в настоящее время хорошо известен
характер этих движений в различных температурных условиях. Аналогия
между закрыванием и открыванием цветков и эндогенным циркадным изме-
нением фотопериодической реактивности была установлена ранее [16, 17].
Время суток
Фиг. 6. Эндогенные суточные колебания термоустойчивости листьев Kalanchoe
blossfeldiana.
Обозначения те же, что на фиг. 5. Подъем кривой означает уменьшение термоустойчивости
падение кривой — ее возрастание.
Время суток
Фиг. 7. Кривые движения цветков Kalanchoe blossfeldiana, полученные каждая
усреднением пяти кривых.
Растения выдерживались в циклах СТ12 : 12 прн постоянной температуре 20°. В различное время
на протяжении темнового периода их ежедневно подвергали 3-часовому воздействию температуры
35°: с начала темнового периода до 3-го часа (вариант I), с 3-го по 6-й (вариант II), с 6-го по 9-й
(вариант III) и с 9-го по 12-й (вариант IV). В контроле № 1 растения все время находились при
температуре 20°; в контроле № 2 на протяжении всего темнового периода поддерживалась темпера-
тура 35°. Степень открывания цветков выражена через расстояние между концами проволочек,
прикрепленных к лепесткам (для их удлинения). Подъем кривой означает открывание цветков,
падение кривой — их закрывание. Время, отложенное по оси абсцисс, отсчитывается с начала
светового периода.
400
Б. Ш в е м м л е
Цветки начинают раскрываться уже за несколько часов до начала светового
периода, раскрываются до предела («дневное положение») примерно после
6 час освещения, а затем начинается закрывание, которое достигает макси-
мальной скорости приблизительно через 9 час после начала светового
периода (см. фиг. 7, точка перегиба на кривой контроля № 1).
На фиг. 7 представлены движения цветков в условиях кратковремен-
ного воздействия температурой 35° (ср. с таблицей, характеризующей насту-
пление цветения при тех же условиях). Мы можем констатировать прямое
ускорение открывания цветков в различных группах подопытных растений
под действием высокой температуры на протяжении темнового периода.
Важно, что действие высокой температуры в течение всего только 3 час
вызывает сдвиг фазы кривой, описывающей движения цветов; этот сдвиг
зависит от срока, на который приходится воздействие, и влияет на положе-
ние максимумов и точек перегиба. (Во всех случаях сдвиг статистически
достоверен.) Максимумы и точки перегиба в вариантах I п II (воздействие
температурой 35° в течение первой половины темнового периода) приходятся
на более поздние сроки, чем в контроле № 1, тогда как в вариантах III
и IV переход от предельного раскрывания цветков к началу закрывания
происходит значительно раньше (в варианте IV в самом начале второй
половины светового периода). Когда растения находятся при высокой тем-
пературе в течение всего темнового периода (фиг. 7, контроль № 2),
закрывание цветков начинается еще раньше, т. е. вскоре после начала све-
тового периода, в результате чего происходит почти полная инверсия фаз.
Как уже было указано, эта последовательность движений цветков
может использоваться как индикатор суточных периодических изменений
реакции на свет, т. е. чередования фотофилии и скотофилии, по Бюннингу
[6, 23]. Открытые цветки характерны для фотофильного состояния, во время
которого свет способствует наступлению цветения, а закрытые — для ското-
фильного, во время которого свет замедляет или предотвращает цветение.
Границы между этими двумя фазами, судя по нашим опытам, совпадают
с точками перегиба кривых, характеризующих движение цветков (пересече-
ние с нулевой линией; фиг. 7).
Таким образом, у нас есть другой ключ к пониманию обсуждаемого
влияния температуры на переход растений к цветению. Оптимальная длина
дня у Kalanchoe составляет около 9 час. При такой длине дня световой
период практически полностью совпадает с фотофильной фазой и создаются
наилучшие условия для цветения. При СТ 12 : 12 (что близко к критической
длине дня для данного растения) 3 час светового периода падают на ското-
фильную фазу, во время которой свет действует уже как ингибитор. Как
мы знаем, в этом случае переход к цветению сильно замедляется. Когда
при определенном температурном воздействии положение фаз смещается
таким образом, что большая часть светового периода совпадает с фотофиль-
ной фазой (фиг. 7, варианты I и II), о чем можно судить по раскрыванию
цветков, должно происходить ускорение цветения (по сравнению с контро-
лем № 1), и оно действительно наблюдается. В то же время более ранний
переход от фотофильной фазы к скотофильной, на который указывает закры-
вание цветков (фиг. 7, отрицательные значения для вариантов III и IV),
должен приводить к замедлению цветения. В этом случае часть фотофильной
фазы, приходящаяся на световой период, становится слишком малой, чтобы
компенсировать отрицательное действие света (или, во всяком случае,
отсутствие стимулирующего действия) во время скотофильной фазы. Теперь
мы понимаем, почему растения не переходят к цветению, если высокая тем-
пература поддерживается в течение всего темнового периода (контроль № 2):
Термопериодические эффекты и цветение растений
401
при этих условиях почти вся скотофильная фаза приходится на световой
период. При действии низкой температуры были обнаружены аналогичные
соотношения между интенсивностью цветения и сдвигом фазы кривой,
описывающей движения цветков.
Чередование высоких и низких температур служит регулятором внут-
ренних часов так же, как и суточная смена света и темноты. У Kalanchoe,
как показали наши эксперименты, движение цветков — весьма удобный
процесс для изучения влияния внешних факторов на эндогенную периодич-
ность. Представленные здесь результаты показывают количественно, что
изменение температурных условий на протяжении световых периодов может
нарушить согласованность между работой внутренних часов и действием
внешних факторов или, напротив, способствовать усилению этой согласо-
ванности. Мы знаем, что это должно проявляться в замедлении или уско-
рении развития, и в этом мы можем видеть причину термопериодических
реакций.
ЛИТЕРАТУРА
1. Went F. W.,The effect of temperature on plant growth, Ann. Rev. Plant Physiol.,
4, 347—362 (1953).
2. W e n t F. W., The Experimental Control of Plant Growth. Waltham, Mass, Chro-
nica Botanica Co., 1957.
3. H i 1 1 m a n n W. S., Injury of tomato plants by continuous light and unfavorable
photoperiodic cycles, Am. J. Botany, 43, 89—96 (1956).
4. Kristoffersen, zit. after Went F. W., In Withrow (ed), Photoperiodism
and Related Phenomena in Plants and Animals. Washington, D. C. A. A. A. S.,
551—564, 1959.
5. В finning E., Endogenous rhythms in plants, Ann. Rev. Plant Physiol., 7, 71 —
90 (1956)
6. В iinn ing E., Die physiologische Uhr. Berlin, Springer Verl., 1958.
7. В u n n i n g E., In Withrow (ed.), Photoperiodism and Related Phenomena in Plants
and Animals. Washington, D. C.: A. A. A. S., 507—530, 1959.
8. Zain ulAbidin, Uber die Beeinflussung der Samenkeimung durch den Tempera-
turwechsel, Z. Botan., 44, 207—220 (1956).
9 Schwemmle B., Uber die tagesperiodischen Anderungen des Reaktionsvermogens
von Keimpflanzen auf niedrige Temperatur, Planta, 43, 98—132 (1953).
10. Schwemmle B., Meyer K-, Tagesperiodische Anderungen des Temperatur-
Reaktionsvermogens bei Keimpflanzen, Naturwissensch., 47, 69—70 (1960).
11. Schwemmle B., Unterschiedliche Schwankungen der Temperaturempfin-
dlichkeit bei Lang- und Kurztagspflanzen, Naturwissensch., 47, 68—69 (1960).
12 Nakayama S., Studies on the dark process in the photoperiodic response of
Pharbitis seedlings. The Science Reports of the Tohoku Univ., Ser. 4, Biology,
XXIV, 137—183 (1958).
13. W e 1 1 e n s i e k S. J., Photoperiodism and temperature in Peridia, Proc. Kon.
Ned. Akad. v. Wetensch., C55, 701—707 (1952).
14. De Z e e u w D., Flowering of Xanthium under long-day conditions, Nature, 180,
588 (1957).
15. Harder R., Vegetative and reproductive development of Kalanchoe blossfeldiana
as influenced by photoperiodism, Symposia Soc. f. Exper. Biol. II, Growth, 117—
138 (1948).
16. Bunsow R., Endogene Tagesrhythmik und Photoperiodismus bei Kalanchoe
blossfeldiana, Planta, 42, 220—252 (1953).
402
Б. Ш в е м м л е
17. Biinsow R., Ober die tages- und jahresrhythmischen Anderungen der photoperi-
odischen Lichtempfindlicheit bei Kalanchoe blossfeldiana und ihre Beziehungen
zur endogenen Tagesrhythmik, Z. Botan., 41, 257—276 (1953).
18. S ch wem m 1 e B., Zur Temperaturabhangigkeit der Bliitenbildung und der endo-
genen Tagesrhythmik bei Kalanchoe blossfeldiana, Naturwissensch., 44, 356 (1957).
19. Harder R., Bode O., Ober die Wirkung von Zwischenbelichtungen wahrend
der Dunkelperiode auf das Bliihen, die Verlaubung und die Blattsukkulenz bei
der Kurztagspflanze Kalanchoe blossfeldiana, Planta, 33, 469—504 (1943).-
20. S c h w e m m 1 e B., L a n g e O. L., Endogentagesperiodische Schwankungen der
Hitzeresistenz bei Kalanchoe blossfeldiana, Planta, 53, 134—144 (1959).
21. Sc h w emm le B.,La nge O. L., Neue Beobachtungen uber die endogene Tages-
rhythmik., Nachr.Ges. Wiss. Gottingen, Math — Phys., KI.>29—35(1959).
22. Oltmanns O., Ober den Einfluss der Temper atur auf die endogene Tagesrhythmik
und die Bliihinduktion bei der Kurztagspflanze Kalanchoe blossfeldiana, Planta,
54, 233—264 (1960).
23. В ii n n i n g E., Ober die photophile und skotophile Phase der endogenen Tages-
rhythmik, Planta, 38, 521—540 (1950).
С. ХЕНДРИКС
Скорость превращения фитохрома
как основной фактор, определяющий
фотопериодическую реакцию растений
о
Фитохром — активное начало, обусловливающее фотопериодическую
реакцию у растений,— был получен in vitro в июне 1959 г. [1]. Выделить его
из растительной ткани удалось благодаря тому, что под действием света
этот пигмент обратимо переходит из одной формы в другую в соответствии
с простым уравнением
660 лу.
Рбво «—Р?35-
735 ЛЦ
Изучение спектров действия показывает, что это уравнение определяет
фотопериодическую реакцию, выражающуюся в наступлении цветения,
и многие другие особенности роста растений [2]. На фиг. 1 изображены
некоторые из таких спектров действия. Они отражают замечательное сход-
ство различных типов реакции на свет у многих видов растений [3—6].
Присутствие фитохрома в тканях или растворах можно установить
по изменению поглощения света, которым сопровождается переход пигмента
из одной формы в другую [1] (фиг. 2). Для такого определения удобно вос-
пользоваться дифференциальной спектрофотометрией, которая по величине
(£)660—.D735) позволяет судить о количестве Р660 и по величине (D735—Deeo)—
о количестве Р735. Следующий пример поясняет этот метод. Навеска выра-
щенных в темноте проростков кукурузы (3 е), спрессованная в виде плоского
образца диаметром 2 см, помещается на пути светового луча спектрометра.
В общем случае через образец проходит около 0,1% световой энергии
(D = 3,0). В то же время при превращении фитохрома Р6ео под влиянием
поглощаемого света в фитохром Р735 оптическая плотность в областях
660 лщ и 735 изменяется примерно на 0,08 (Д£> = 0,08). При этом уро-
вень шума характеризуется AD = 0,0008.
С помощью этого метода фитохромы были обнаружены в самых различ-
ных растениях: в цветной капусте и цветках артишока, этиолированных
стеблях многих злаков, плодах кабачка и авокадо, семядолях капусты
и тыквы. Большие количества хлорофилла, из-за увеличения поглощения
в области 6000—7500 А, затрудняют обнаружение фитохрома. По этой
причине не были проведены прямые измерения на листьях растений, обла-
дающих выраженной фотопериодической реакцией.
Фитохром — растворимый белок цитоплазмы растений, из которой
он может быть выделен при измельчении растений и последующем экстраги-
ровании разбавленными водными растворами щелочных буферных соедине-
ний при температуре, близкой к точке замерзания [1]. Фотообратимость
404
С. Хендрикс
сохранилась в растворах, приготовленных из цветков цветной капусты,
плодов тыквы, семядолей репы, листьев шпината и этиолированных стеблей
ряда злаков. Как источник материала для экстрагирования фитохрома
используются в основном проростки кукурузы в возрасте 6 дней, выращен-
ные в полной темноте при 25°. Предпринимаются также попытки выделить
фитохром из смеси экстрагированных белков, чтобы установить природу
ферментативной реакции, контролируемой Р735, и найти простетическую
Длина волны} мц
Фиг. 1. Спектры действия некоторых процессов.
1 — половинный эффект в стимуляции прорастания семян салата [3]; 11 — по-
ловинный эффект в торможении цветения дурнишника [б]; 111 — половинный
эффект в стимуляции роста листьев гороха [4]; IV — 17-процентная стиму-
ляция цветения ячменя [5]. Кружки на правом графике — результаты двух
экспериментов по торможению прорастания семян салата.
группу, определяющую светочувствительность пигмента. В то же время
эксперименты на живых тканях и растворах дают информацию о характере
физиологических ответов.
В обратимой светочувствительной реакции участвуют лишь две формы
одного и того же пигмента (хотя раньше, чтобы объяснить изменения, вызы-
ваемые освещением, допускали существование еще одного, дополнительного,
компонента). Это следует из того, что продолжительный диализ не изменяет
характера превращений и что под действием света от лампы накаливания
(гетерогенный источник) данная пигментная система во многих живых тканях
и экстрактах приходит в одно и то же состояние. Из последнего факта сле-
дует также, что поглощение и квантовый выход превращения двух форм
фитохрома постоянны во всех изученных тканях, а это служит доводом
в пользу того, что фитохром представляет собой одно определенное веще-
ство, а не смесь родственных соединений.
Превращения фитохрома и фотопериодическая реакция растений 405
В живой ткани в темноте Р735 превращается в Р66О- Скорость и степень
этого превращения соизмеримы с временнйми характеристиками фотоперио-
дичности. Так как знание величины этой скорости имеет решающее значение
для понимания явления фотопериодичности, внимание исследователей было
направлено на разработку методов ее измерения. Превращение может быть
Фиг. 2. Разностный спектр для образцов ткани кукурузы при
различных состояниях фитохрома.
1 — Рббо (красный свет); II — Р735 (далекий красный). В нижней части фигуры
показан разностный спектр контрольного образца [1]. D — оптическая плот-
ность.
легко замечено по изменению времени зацветания в ответ на освещение
растений в разное время в течение темнового периода. Соя и дурнишник
(Xanthium), растущие в условиях освещения, благоприятных для наступле-
ния цветения (когда в начале темновых периодов, по-видимому, преобладает
Р735), после 4 час пребывания в темноте отвечают задержкой цветения
на облучение светом с длиной волны 660 мц [6]. Аналогичные результаты
были долучены и для ячменя [5]. Р660, обнаруженный в растениях после
4 час пребывания в темноте, по-видимому, образуется из Р735.
Методом дифференциальной спектроскопии такое же превращение
было обнаружено в этиолированных проростках кукурузы (фиг. 3). За время
половинного превращения (-—2 час) обратимость нарушается примерно
на 75%. В семенах салата превращение Р735 в Р660 происходит значительно
медленнее, чем в проростках кукурузы; время половинного превращения
равно примерно 24 час при 35° и существенно возрастает при 30°.
406
С. Хендрикс
Фиг. 3. Изменение Р735 в ткани проростков кукурузы по мере
превращения под действием света Р6в0 в Р736.
В темноте при комнатной температуре в экстрактах из проростков
кукурузы Р7з5 не превращается в Р660. Превращение не осуществляется,
так как отсутствуют соединения, необходимые для действия Р735. С потерями
такого типа часто приходится
Удлинение листьев этиолированных
проростков гороха, сопровождаю-
щееся изменением формы фитохрома
(в результате облучения растений
светом с длиной волны
650 лер)[4]
Энергия, эрг!см.^ Длина листьев, мм Степень превраще- ния РббО в р735, %
0 6,0 0
1 6,1 0,004
10 6,6 0,04
103 7,1 0,4
1 000 7,5 4,2
16 000 8,5 50,0
сталкиваться при выделении ферментов
хотя бы по той причине, что происхо-
дит разбавление неизвестного субстрата.
Интересно знать, какая из двух
форм фитохрома активна. Имеются дан-
ные в пользу Р735. Одним из доказательств
является зависимость между ростом
листьев этиолированных проростков го-
роха и степенью превращения Р660 в Р735
(таблица) [4]. Измеримый эффект
(0,1 мм) получается при превращении
1/25 000 Р66о в Р735.В то же время для
получения измеримого эффекта замедле-
ния количество Р735 (если эта форма пре-
обладает) должно уменьшиться примерно
на 10%.С помощью экстракции и измере-
ния степени поглощения света было най-
дено, что концентрация фитохрома в
тканях кукурузы должна составлять
около 1 : 106 (если принять, что моле-
кулярный вес на одну простетическую
группу равен приблизительно 100 000). Следовательно, Р735 влияет на рост
листьев при средних концентрациях внутри ткани, меньших, чем 1 : 1010.
У гороха удлинение листьев линейно зависит от логарифма энергии падаю-
щего света в пределах изменения энергии в 105 раз.
Количество лучистой энергии, вызывающее измеримые изменения
в сроках зацветания, достаточно для превращения приблизительно 20%
Peeo в Р?з5- При 10-кратном или близком к нему увеличении этого количества
энергии наступает насыщение реакции перехода Р660 в Р735, а также физио-
Превращения фитохрома и фотопериодическая реакция растений 407
логических эффектов, связанных с этой реакцией. Концентрация Р735 умень-
шается до 50, 25, 12,5 и 6,25% в 1, 2, 3 и 4-м периодах половинного превра-
щения соответственно. Влияние, которое оказывает на цветение освещение
растений светом с длиной волны 660 лщ через 7 час после начала темнового
Фиг. 4. Изменение содержания крахмала и общего сахара в 3-м
сложном листе 4-недельных растений сои в зависимости от времени
пребывания листа в темноте и на свету. За нулевое время прини-
мают момент помещения растений в темноту.
Z—крахмал; //—общий сахар.
периода, позволяет предположить, что время половинного превращения
Р735 во многих растениях меньше 3 час, а это согласуется с приведенной
выше величиной (~2 час). Обратимость реакции перехода Р735 в Р660 нару-
шается при 45-минутном и даже менее длительном облучении светом с длиной
волны 660 M[i. Этот эффект обнаруживают, наблюдая начало цветения сои
и ряда других растений [7, 8]. Особо интересный случай представляет
поведение разновидностей ипомеи голубой (Pharbitus nil) на семядольной
стадии развития [9, 10].
Субстраты, необходимые для функционирования фитохрома, сущест-
вующего, по-видимому, в форме Р735, в конечном счете поставляются фото-
синтезом. Эти субстраты изменяются со временем как на свету, так и в тем-
ноте. Изменение содержания крахмала и общего сахара наблюдали
в листьях 4-недельных растений сои сорта Билокси (Паркер, неопублико-
ванная работа, 1940). Некоторые результаты, полученные на 3-м сложном
листе, в то время как растения находились в условиях 16-часового дня
(освещаемые угольной дугой и лампой накаливания), показаны на фиг. 4.
Различные значения концентраций в нулевое время объясняются тем, что
для получения проб растения брали из одной комнаты во время светового
периода и из другой — во время темнового. В темноте время превращения
половины имеющегося крахмала было равно 6,5 час.
Процесс использования субстрата и процесс перехода Р735 в Р660 харак-
теризуются примерно одинаковым временем половинного превращения
и потому компенсируют друг друга, ослабляя тем самым влияние темпера-
408
С. Хендрикс
туры на скорость образования продукта под действием Р735. При повыше-
нии температуры возрастает скорость использования субстрата под влия-
нием Р735, но зато и уменьшение количества Р735 происходит с большей
скоростью. Число наблюдений, в которых влияние температуры на реакцию
превращения Р735 в Р660 и на общее количество фитохрома оценивали
по эффекту обратимости, очень невелико. Повышение температуры раство-
ров от 0 до 20° усиливало обратимость. В растениях кукурузы, выращенных
при температуре 30°, степень обратимости превращения фитохрома значи-
тельно уменьшалась, когда исследования проводили при этой же темпера-
туре. В то же время семена салата, содержавшиеся 48 час при температу-
ре 35°, сохраняли способность к обратному превращению фитохрома в ходе
дальнейшего прорастания при температуре 20°.
Фотопериодичность реакции зацветания растений может определяться
окончательным балансом всех изменений Р735 и субстратов, на которые
он действует и с которыми он взаимодействует. В этой статье мы рассмотрели
изменения фитохрома, от которых зависит функционирование биологических
часов в растениях. Экспериментальные подходы в дальнейших исследова-
ниях достаточно ясны. Наиболее существенно то обстоятельство, что многие
процессы в растениях, в том числе и цветение, определяются состоянием
Р735 и что синхронизация фотопериодических реакций растений зависит
от Р735.
ЛИТЕРАТУРА
1 Butler W. L.,Norris К. H.,S i е g е 1 m а п Н. W.,HendricksS.B.,
Detection, assay, and preliminary purification of the pigment controlling photo-
responsive development of plants, Proc. Natl. Acad. Sci. (Washington), 45,
1703—1708 (1959).
2. Borthwick H. A., Hendricks S. B., Parker M. W., Toole E. H.,
Toole V. K-, A reversible reaction controlling seed germination, Proc. Natl.
Acad, Sci. (Washington), 38, 662—666 (1952)
3. Borthwick H. A.,Hendricks S. B., Parker M. W.,Toole E. H.,
Toole V. К.» Action of light on lettuce seed germination, Botan. Gaz., 115,
205—225 (1954).
4. Parker M. W., Hendricks S.B.,Borthwick H. A., Went F. W.,
Spectral sensitivities for leaf and stem growth of etiolated pea seedlings and their
similarities to action spectra for photoperiodism, Amer. J. Bot., 36, 194—204
(1949).
5. Borthwick H. A., Hendriks S. B., Parker M. W., Action spe-
ctrum for floral initiation of a long-day plant, wintex barley (Hordeum vulga-
re), Botan. Gaz., 110, 103—118 (1948).
6. Parker M. W., Hendricks S.B., Borthwick H. A.,Scully N.J.,
Action spectrum for the photoperiodic control of floral initiation of shortday plants,
Botan. Gaz., 108, 1—26 (1946).
7. D о w n s R. J., Photoreversibility of flower initiation, Plant. Physiol., 31, 279—
284 (1956).
8. C a t h а у H. M., Borthwick H. A., Photoreversibility of floral initiation
in chrysanthemum, Botan. Gaz., 119, 71—76 (1957).
9. N a k a у a m a S., Studies on the dark process in the photoperiodic response of
Pharbitis nil seedlings, Sci. Rept., Tohuku Univ. (Japan), 24, 137—183 (1958).
10. Nakayama S., Borthwick H. A.,Hendricks S. B., Failure of pho-
toreversible control of flowering in Pharbitis nil, Botan Gaz. (In press) (1960).
Э. БЮННИНГ
Суточные ритмы и измерение времени
при фотопериодических реакциях
о
В результате осуществления суточных периодических колеоании
(т. е. наличия физиологических часов) клетки попеременно оказываются
в одном из двух состояний, отличающихся качественно и количественно.
Каждое из этих состояний длится примерно 11—13 час. Основное значе-
ние таких колебаний заключается в том, что клетки достигают некоторых
экстремальных физиологических состояний. Осуществление различных
физиологических функций возможно только в том случае, если достигаются
эти экстремумы. Одно экстремальное состояние характеризуется высокой
синтетической активностью, другое — высоким уровнем катаболизма. Мы
можем проиллюстрировать значение колебательного режима для внутри-
клеточных химических реакций с помощью диаграммы (фиг. 1). Многие
из процессов, о которых идет речь (Л, В, С и т. д.), уже известны, и я не
буду здесь на них останавливаться.
Если осциллятор не функционирует, т. е. если часы не идут, тогда
некоторые процессы прекращаются или протекают не с максимальной
скоростью, и это приводит к физиологическим нарушениям (фиг. 2). С нару-
шением нормального хода физиологических часов связаны болезни некото-
рых растений, культивируемых при непрерывном освещении. Примеры
такого рода наблюдались и на высших и на низших растениях [1, 2]. Извест-
ны также случаи остановки развития на определенных стадиях. Так, напри-
мер, у некоторых штаммов Pilobolus при непрерывном освещении вместо
нормальных спорангиеносцев образуются лишь их зачатки, так называе-
мые трофоцисты [3]. У многих высших растений, таких, как Oenothera,
в условиях непрерывного освещения формируются цветочные почки, но
они никогда не раскрываются [4]. В этом и многих других случаях повреж-
дение (или подавление развития) можно устранить при помощи воздействий,
которые восстанавливают колебания (фиг. 2 и 3). К числу таких воздей-
ствий относится чередование высокой и низкой температуры или света
и темноты. Может оказаться достаточным даже воздействие одиночным
периодом темноты (или низкой температуры) длительностью в несколько
часов один раз в неделю [2]. Для того чтобы восстановить нормальное
развитие, необходимо привести колебательную систему в движение; воз-
действие темнотой или низкой температурой должно быть для этого доста-
точно длительным, обычно около 6—10 час [5]. Экспериментами было пока-
зано, что более короткие периоды темноты или низкой температуры не могут
ни запустить колебания, ни снять вызванное непрерывным освещением
торможение.
410
Э. Б ю н н и н г
Взаимоотношение внутренних часов и физиологических процессов
растений усложняется тем, что эти часы, попеременно включая то один,
то другой процесс, вызывают также изменение самой чувствительности
клеток к Ьвету. Это является основой фотопериодических реакций.
Проблему фотопериодизма часто неправильно смешивают с другими
биологическими проблемами. К особенно грубым ошибкам привело это
Оптимум для процессов А,В,Сит.д.
Уровень I --yL— ----X--------jjl---
Уровень]! -----X
Оптимум для процессов XtXfZ ит.д.
Фиг. 1. Нормальные колебания между уровнями, характеризу-
емыми состояниями / и II, обеспечивают возникновение экстре-
мальных физиологических условий в клетке. Таким образом попе-
ременно достигаются оптимальные условия для процессов А, В,
С и X,Y, Z.
в ботанике, где проблему фотопериодизма часто просто отождествляли
с проблемой цветения.
Мы знаем, что многие биологические явления подчинены фотоперио-
дической регуляции. К таким явлениям относятся цветение и наступление
периода покоя у растений, спячка животных, сезонные изменения окраски,
миграции животных и циклы активности гонад. Каждое из этих явлений у тех
или иных организмов может и не зависеть от фотопериодизма, точно так же,
24-час
Фиг. 2. При длительном воздействии света (непрерывное осве-
щение) нормальные колебания не сохраняются. В результате про-
цессы А, В, С я X, Y, Z частично или полностью подавляются,
что ведет к физиологическим нарушениям. Одиночный (9-часовой)
период темноты (или такое же воздействие низкой температурой)
может оказаться достаточным для того, чтобы возобновить коле-
бания и предотвратить нарушения.
как, например, отопление и освещение здания может регулироваться либо
определенным расписанием, либо потребностями его обитателей.
Контролируемая часами регуляция возможна в технике и физиоло-
гии лишь тогда, когда с часами сопряжена (или даже «встроена» в них) неко-
торая существенная для целого стадия, например подача электроэнергии
для освещения или выработка гормона в организме.
Фотопериодическая регуляция какого-либо биологического процесса
означает лишь то, что одна из стадий такого процесса связана с измерением
времени.
Организмы имеют в своем распоряжении унаследованный от предыду-
щих поколений эталон времени. Изо дня в день на протяжении всего года
они сверяют действительную длину дня и ночи с этим своим внутренним
«эталоном». Как только действительная длина дня или ночи становится
Суточные ритмы при фотопериодических реакциях
411
Фиг. 3. Содержание пигментов (хлорофилла и каротиноидов)
у Oedogonium cardiacum в условиях цикла СТ 12 : 2 (/), при непре-
рывном освещении (//), при непрерывном освещении, нарушаемом
один раз в неделю 12-часовым темновым периодом (III), и при не-
прерывном освещении, нарушаемом один раз в неделю 6-часовым
воздействием низкой (10°) температуры (IV). Нормальная темпе-
ратура в опыте 25°. Одиночный период темноты или однократное
воздействие низкой температуры, которые, как известно из дру-
гих опытов, способны «запускать часы» у Oedogonium, в значитель-
ной мере устраняют подавление, вызванное непрерывным осве-
щением.
больше (или меньше), чем внутренний «эталон», возникают компенсирую-
щие физиологические изменения (фиг. 4). Именно эти изменения мы и назы-
ваем фотопериодической реакцией, унаследованный же «эталон времени»
выступает как критическая длина дня.
Рассмотрим теперь вопрос: основано ли это измерение времени на прин-
ципе песочных часов, как считали многие исследователи? Предполагалось,
Длина дня , час
Фиг. 4. Два примера возможной зависимости между длиной дня
и физиологической реакцией.
Зависимость показана для двух реакций: одна из них протекает лишь при
длине дня не менее 11 час, другая не идет в том случае, когда длина дня пре-
вышает 16 час.
что начало светового периода вызывает какую-то химическую реакцию,
которая приводит через определенное время к накоплению порогового
количества некоторого вещества. Подобные гипотезы (о каком бы периоде —
412
Э. Бюннинг
световом или темновом — ни шла речь) наталкиваются на одно весьма
существенное затруднение: критическая длина дня или ночи лишь в очень
слабой степени зависит от температуры (фиг. 5, 6), а это свидетельствует,
Фиг. 5. Фотопериодическая индукция наступления диапаузы
у Metriocnemus knabi при различных температурах [6].
Влияние температуры на критическую длину дня в пределах 12—25,6° вы-
ражено очень слабо.
как известно, в пользу физического механизма измерения времени. Уместно
заметить также, что те же физиологические часы, которые используются
в фотопериодических реакциях, ответственны за ориентацию животных
по солнцу, временную память и другие особенности поведения животных.
Алина дня, час
Фиг. 6. Фотопериодическая индукция цветения у Hyoscyamus
niger при различных температурах [7].
Влияние температуры на критическую длину дня выражено очень слабо.
Эти и другие рассуждения уже в 1936 г. привели нас к заключению,
что измерение времени в фотопериодических реакциях производится при
помощи эндогенных суточных колебаний (endodiurnal oscillation) [8].
Эксперименты показывают, что эта точка зрения верна [9—11].
Суточные ритмы при фотопериодических реакциях 413
Обратимся теперь к фиг. 7. В старых гипотезах предполагалось, что
существуют два процесса приблизительно равной длительности (обычно от 10
до 14 час), один из которых приурочен к световому, а другой — к темно-
вому периоду. Существовали и другие гипотезы, основанные на принципе
песочных часов, но исходившие из одного-единственного процесса. Однако
от них пришлось отказаться, когда стало ясно, что за световым процессом
должен следовать темновой. Усовершенствованный вариант гипотезы
песочных часов представлен на фиг. 7, А. Фотопериодизм требует двух
реакций, каждая из которых длится около 12 час и зависит от температуры
~ 12 час ~12час
п --------------> —----->
Процесс А Процесс В
(„ световая ч „ темновая
реакция”) реакция”)
Период, требующий
уг >4/ света
Б
Период, тре6ующии*<2^
темноты
Фиг. 7. Гипотезы, предложенные для объяснения
фотопериодизма.
А. «Гипотеза песочных часов» (hour-glass hypothesis). Б. «Гипотеза
осциллятора» (oscillator hypothesis).
не более, чем длительность периода эндогенного ритма, а это служит аргу-
ментом в пользу существования эндогенного суточного ритма.
Суточные колебания могут, как было показано, регулировать многие
суточные периодические процессы. К таковым относятся, прежде всего,
изменение на протяжении суток активности многих ферментов, а также
рост, клеточный тургор и пр. Физиологические часы могут также регули-
ровать чувствительность к свету —• и даже переход от одного типа чувстви-
тельности к другому. Это можно показать на очень простом примере. Если
мы будем освещать растения в разное время на протяжении темнового
периода и измерим влияние этого воздействия на синтез хлорофилла или
на ход других синтетических процессов, то мы обнаружим, что чувствитель-
ность растений к свету очень резко меняется во времени (фиг. 8, 9).
Существенным в фотопериодических реакциях является то обстоятель-
ство, что чувствительность к свету изменяется не только количественно,
но и качественно: реакции организмов на свет качественно отличаются
в зависимости от того, в какой из двух фаз суточного цикла дан световой
импульс.
Чтобы проиллюстрировать это, достаточно привести некоторые хорошо
известные факты. Первый из них заключается в том, что, прерывая темно-
вой период, мы можем вызвать явления, аналогичные эффекту длинного
дня, у растений, выращиваемых в условиях короткого дня (фиг. 10). Мы
видим, что если темновой период прервать световым воздействием, то расте-
ния и животные будут вести себя так, как если бы они находились в услови-
ях длинного дня. Эффект, однако, оказывается различным в зависимости
от времени, на которое приходится воздействие, а следовательно, чувстви-
тельность к свету на протяжении цикла (в соответствии с фазой) меняет-
ся [15, 16] (фиг. 11). Подобные результаты обычно приводят для того,
чтобы показать, что именно длительность темнового, а не светового периода
играет ведущую роль и что действие светового сигнала основано на разде-
лении темнового периода на две части меньшей длительности. Однако легко
Фиг. 8. Синтез хлорофилла у Hyoscyamus niger при режиме осве-
щения 9 час света63 час темноты [12].
Темновой период прерывался 3-часовым освещением в разное время (отло-
женное по оси абсцисс). В контроле темновой период не прерывали.
Фиг. 9. Накопление сухого вещества в листьях Lactuca sativa
при цикле СТ16: 56 [13].
Гемновой период прерывался 4-часовым освещением в разное время (см.
гор 1?онтальные отрезки). За 100 принят сухой вес в контроле (где темновой
период не прерывался).
е
1—।—। । 1 । । ।_____।__।__।__।_।
0 2 4 6 8 10 12 /4 16 18 20 22 24
Время, час
Фиг. 10. В результате прерывания темнового периода растение
ведет себя, как при длинном дне, несмотря на то что оно содержит-
ся в условиях короткого дня.
а, б и в — растения короткого дня; г, д и е — растения длинного дня. Знак +
означает цветение, знак — отсутствие цветения.
Суточные ритмы при фотопериодических реакциях
415
Длительность темнового периода,пас
Фиг. 11. Влияние светового режима на цветение у Kalanchoe
blossfeldiana (растение короткого дня) [16].
Длительность основного светового периода 11 час, темновой период в разное
время (указанное на оси абсцисс) прерывался 1-минутным освещением. Наи-
более сильное подавляющее действие света в ходе темнового периода наблю-
далось между 18-м и 21-м часом, считая от начала основного светового
периода, т. е. между 7-м и 9-м часом темнового периода [16].
доказать, что максимальный эффект вовсе не обязательно получается именно
тогда, когда свет дается в середине темнового периода. Этот максимальный
эффект оказывается приуроченным к определенному времени, которое
может зависеть как от начала предыдущего светового периода, так и от
Фиг. 12. Влияние светового режима на цветение у Hyoscyamus
niger (растение длинного дня) [14].
Длительность основного светового периода 7 или 5 час. Темновой период
прерывался 1- или 2-часовым освещением. Наиболее сильный положитель-
ный эффект наблюдался, когда дополнительное освещение давали в 23
часа, т. е. через 16 час после начала основного светового периода: I — 7 час
темноты + 2 час света; II — 7 час темноты + 1 час света; III — 5 час
темноты + 1 час света.
начала темнового периода (фиг. 12—14). Можно также показать, что чув-
ствительность к свету изменяется и в ходе основного светового периода,
причем прямо противоположным образом по сравнению с тем, что наблю-
дается в темновом периоде (фиг. 15). Прерывание светового периода крат-
Фиг. 13. Связь между дли-
ной дня и процентом диапау-
зирующих куколок у Pieris
brassicae [17].
Фиг. 14. Подавление диапаузы у Pieris brassicae
в результате прерывания темнового периода как при
сравнительно длинном, так и при коротком основ-
ном световом периоде [17].
Максимум чувствительности обнаруживается между 14-м
Время, час
Фиг. 15. Противоположный
эффект от действия света в 1-ю и
во 2-ю половину цикла у Pieris
brassicae [17].
Дополнительное 1-часовое освещение
стимулирует диапаузу, если оно дается
в первой половине цикла, и подавляет
ее, если£оно дается во второй половине.
Фиг. 16. Эффект от прерывания темнового пе-
риода у Kalanchoe blossfeldiana (растение корот-
кого дня) [18].
Растения выращивали в условиях цикла СТ9 : 39. Тем-
новой период в разное время прерывался 2-часовым осве-
щением. Срок зацветания — число дней, прошедших от
начала опыта до появления цветков (уровень 100 означает,
что закладки цветков вообще не произошло). Точки, со-
ответствующие максимальному сокращению сроков за-
цветания, отстоят друг от друга на 24 час.
Фиг. 17. Эффект от прерывания темнового периода у Hyoscyamus niger
(растение длинного дня) [14].
Темновой период в разное время прерывался 2-часовым освещением. В контроле (где темновой
период не прерывался) растения не зацветали. Точки, соответствующие максимальной стимуляции
цветения, отстоят друг от друга на 24 час.
Суточные ритмы при фотопериодических реакциях 417
повременными периодами темноты приводит к ослаблению или полному
подавлению приуроченных к световому периоду процессов.
Подобными опытами было доказано, что чувствительность к свету
в ходе 24-часового цикла изменяется на качественно противоположную.
Опыты с использованием 48-часового цикл а убедительно показали, что данный
процесс регулируется эндогенным суточным ритмом (фиг. 16, 17), ибо
в этих условиях колебания чувствительности сохраняются в течение двух
суток [14, 18]. Правда, этим результатам было дано иное объяснение,
а именно: было высказано предположение, что свет, прерывающий темно-
вой период, действует аддитивно, т. е. как одно целое с предшествующим
6 /2 18 24 30 36 42 48 54 60
Время }иас
Фиг. 18. Эффект от прерывания темнового периода 2-минутным
освещением (красный свет) у растений Kalanchoe blossfeldiana, вы-
ращивавшихся в условиях цикла 10 час света —j—62 час темноты
(по неопубликованным данным Бюннинга и Энгельмана).
Дополнительное’(2-минутное) освещение давали в ходе темнового периода в раз-
ное время (указанное на оси абсцисс). В контроле темновой период не преры-
вали.
или последующим световым периодом. Но против этого можно возразить,
что у растений спектры действия для основного светового периода и для
короткого светового периода, прерывающего темноту, совершенно различ-
ны. Таким образом, упомянутые опыты действительно показывают, что
даже в условиях длительного затемнения («при постоянной темноте») чув-
ствительность растений к свету приблизительно каждые 12 час претерпевает
качественные изменения.
Во многих случаях суточные колебания чувствительности продолжа-
лись и до трех суток, несмотря на пребывание растений в полной темно-
те [19] (фиг. 18). Некоторые спрашивают, почему это не всегда наблюдается.
Ответ очень простой. Уже во времена Пфеффера ученым было известно, что
эндогенные ритмы сохраняются недолго. Сам Пфеффер испробовал много
способов, чтобы добиться сохранения периодичности дольше 1—2 дней.
Теперь мы знаем много больше об условиях, необходимых для сохранения
ритмической активности при постоянной темноте. Кроме того, мы знаем,
что далекий красный свет оказывается очень эффективным ингиби-
тором ритмов. В опытах, подобных тем, которые мы только что описали,
облучение далеким красным светом в течение основного светового периода
тормозит или полностью подавляет суточные колебания [20]. Подавляющее
действие далекого красного света распространяется на все процессы, под-
верженные суточным колебаниям: на суточные движения листьев, на фото-
периодические колебания чувствительности к свету и пр.
418
Э. Б ю н н и н г
Рассмотрим теперь кратко другие типы экспериментов, которые демон-
стрируют роль эндогенных ритмов в фотопериодической реактивности. Эти
эксперименты были выполнены Хамнером и его сотрудниками [21]. Расте-
ния выращивали либо в условиях изменяющегося светового периода, чере-
дующегося с темновым периодом постоянной длительности, либо при изме-
няющемся темновом периоде и неизменном световом. Результаты опытов
ясно указывают на суточные изменения чувствительности к свету. Подоб-
ные же наблюдения были сделаны и на животных (фиг. 19). Однако и эти
результаты воспроизводятся не всегда, возможно по той же причине, о кото-
рой мы говорили выше.
В тех случаях, когда не удавалось сколько-нибудь длительное время
наблюдать суточные колебания, их проявлению, очевидно, препятствовали
сами условия постановки опыта. В частности, такое воздействие может ока-
зывать далекий красный свет, если используемый световой пучок содержит
его в достаточном количестве.
Фиг. 19. Фотопериодическая индукция диапаузы у Pieris brassicae
[17].
Цикл освещения был построен так, что темновой период всегда был равен
10 час, а продолжительность светового периода менялась Короткий световой
период стимулировал диапаузу, световой период продолжительностью 15 —
25 час подавлял ее, а еще более продолжительный — вновь стимулировал.
Таким образом, ясно, что суточные изменения чувствительности к свету
регулируются физиологическими часами. В двух разных фазах цикла (дли-
тельностью каждая около 12 час) чувствительность к свету качественно
различается (фиг. 20).
Физиологические процессы, подчиняющиеся фотопериодической регу-
ляции, могут быть по-разному связаны с этими циклами. Это и не удивитель-
но, так как каждый физиологический процесс — закладка цветков, наступ-
ление диапаузы, циклы активности гонад и т. д.— состоит из ряда звеньев,
например таких, как синтез различных гормонов. Если ни одно звено не свя-
зано с часами, то весь процесс в целом может протекать независимо от длины
дня. В системе, которая зависит от длины дня, в разных случаях блокируют-
ся разные частные процессы. Известны случаи, когда блокируются два зве-
на в цепи реакций. Наиболее отчетливо это видно, когда один из процессов
подавляется коротким днем, а другой — длинным, что часто бывает в случае
цветения [22]. Существуют растения, которые никогда не зацветают, если
их содержать в условиях некоторой промежуточной длины дня. Им требует-
ся влияние сначала короткого, а затем длинного дня. Сперва должен быть
преодолен первый блок, а затем второй. Растения, у которых имеется только
первый или только второй блок, известны соответственно как растения корот-
кого или длинного дня. Сходные явления известны и у животных; при этом
Суточные ритмы при фотопериодических реакциях
419
определенные процессы могут регулироваться у одних видов длинным,
у других коротким днем.
Существование двух таких реакций у растений и животных позволяет им
различать весну и осень. Это выражается в том, что определенные процессы
могут протекать только в том случае, если осуществятся одни реакции,
требующие, например, короткого дня, и тем самым будут подготовлены
условия для осуществления других реакций, возникающих с наступлением
длинного дня. В качестве примера можно указать на опыты Вольфсона
с циклами активности гонад у птиц [23].
Фотопериодическая регуляция физиологических процессов, естествен-
но, зависит от определенной пигментной системы. Физиологические часы
влияют на чувствительность процессов,
связанных с некоторыми пигментами.
В разных случаях пигменты могут быть
разными.
Д
О 12 2k 36 48 60 72
Б
В
Время ,час
Фиг. 2О4 Определяемые часами
колебания чувствительности к свету,
качественно различной в разные по-
ловины цикла (белая половина сме-
няется черной).
А — свободный ритм в условиях непрерыв-
ного освещения или постоянной темноты.
Период цикла несколько отличается от
24 час; Б — короткий день; В — длинный
день. В условиях длинного дня световой
период захватывает и «черную» половину
цикла.
Фиг. 21. Влияние дополнительного освеще-
ния (в течение светового и темнового перио-
дов) на длину соцветия у Chenopodium ата-
ranticolor [24].
Растений подверглись действию 10 короткодневных
циклов (10 час света + 14 час темноты). Длина со-
цветия в контроле 12 мм. Дополнительное освеще-
ние во время светового периода 200 000 кэрг/см*,
во время темнового — 20 000 кэрг/см^. Определение
длины соцветия производили через 15 дней после
начала опыта.
У растений обычно находят пигменты, поглощающие в красной или
в далекой красной области. Chenopodium в первой фазе цикла более чувстви-
телен к красному свету, а во второй—к далекому красному (фиг. 21), о чем
можно судить, например, подлине образующихся соцветий. Вдругих случаях,
и в особенности у животных, используются другие пигментные системы.
Включение пигментных систем в механизм фотопериодической регуляции
не означает, что количество пигмента должно изменяться в течение суток.
Более вероятно, что часы'просто вызывают циклические изменения внутрен-
них условий, так или иначе влияющих на связанный с пигментной системой
процесс. Каким образом часы регулируют эти изменения, мы не знаем.
В заключение я хотел бы кратко рассмотреть вопрос о том, каким обра-
зом один и тот же процесс может у одних видов определяться длинным,
а у других — коротким днем. В качестве примера можно сослаться на пере-
ход к цветению и наступление диапаузы.
420
Э. Бюннинг
В сущности выше уже дан ответ на этот вопрос. Мы видели, что иногда
два отдельных, частных процесса могут блокироваться независимыми фото-
периодическими механизмами, один из которых нейтрализуется длинным
днем, а другой— коротким [22]. Если у растения имеются оба эти блока,
то оно принадлежит к так называемым длинно-короткодневным или коротко-
длиннодневным растениям. Для перехода к цветению такие растения
нуждаются сначала в одной длине дня, а затем — в другой. Если, однако,
существует только один блок, то мы имеем дело с растением либо длинного,
либо короткого дня в зависимости от того, какой процесс блокируется.
В точности такие же явления известны у животных. Я хотел бы теперь
продемонстрировать участие двух реакций с различной зависимостью
от длины дня в фотопериодической индукции диапаузы у Pieris brassicae.
У этого организма короткий день индуцирует диапаузу, а длинный день
ее подавляет (см. фиг. 13). У некоторых других насекомых, таких, как
например, шелкопряд, соотношение оказывается обратным. Мы выясни-
ли [17], что у Pieris в одной фазе эндогенного ритма свет способствует
наступлению диапаузы, а в другой — он диапаузу подавляет. Оба эти
эффекта вызываются светом с короткой длиной волны (ультрафиолетовый
и фиолетовый). Если, однако, использовать только желтый или красный
свет, то эффект оказывается прямо противоположным. Это означает, что
в первые 20 час после начала светового периода, т. е. в то время, когда
фиолетовый свет стимулирует диапаузу, желтый и красный свет ее подавля-
ет. И наоборот, желтый и красный свет стимулирует диапаузу в той фазе,
в которой фиолетовый и ультрафиолетовый ее подавляет.
Каким образом физиологические часы изменяют чувствительность
процессов, связанных с различными пигментными системами, об этом мы
пока еще ничего не знаем.
Два момента следовало бы отметить для предотвращения возможных
недоразумений. Влияние температуры на формирование цветков, наступ-
ление диапаузы и т. п. само по себе не означает, что температура влияет
именно на процесс определения времени (критическая длина дня), необхо-
димый для того, чтобы завершился какой-то фотопериодически регули-
руемый частный процесс в формировании цветков и т. п. Точно так же
и снятие блокировки этого частного процесса воздействием крайних
температур не означает, что температура влияет на самый процесс определе-
ния времени.
Я не обсуждал здесь влияния света на сдвиг фазы циркадного ритма,
хотя это явление, как показал Бюнзов, тоже представляет интерес в связи
с некоторыми фотопериодическими эффектами. Я попытался рассмотреть
лишь влияние циркадных ритмов на определенный тип чувствительности
к свету. Различия между такими явлениями, как регулирование внутренних
часов светом, с одной стороны, и регулирование этими часами фотопериоди-
ческой чувствительности к свету, с другой, становятся очевидными благода-
ря тому, что у многих растений спектры действия этих двух процессов
совершенно различны.
ЛИТЕРАТУРА
1. Hillman W. S., Injury of tomato plants by continuous light and unfavorable
photoperiodic cycles, Am. J. Bot., 43, 89—96 (1956).
2. R u dd at M., Versuche zur Beeinflussung und Auslosung der endogenen Tagesrhy-
thmik bei Oedogonium cardiacutn Wittr., Z. f. Bot., 48, (In press) (1960).
3. J а с о b F., Zur Kenntnis der Lichtwirkung auf die Entwicklung der Sporangien-
trager der Sammelart P. Kleinii van Tieghem, Arch. Mikrobiol., 33, 83—104 (1959).
Суточные ритмы при фотопериодических реакциях
421
4. А г п о 1 d С. G., Die Bliitenoffnung bei Oenothera in Abhangigkeit vom Licht-
Dunkelrhythmus, Planta, 53, 198—211 (1959).
5. Wassermann L., Die Auslosung endogen-tagesperiodischer Vorgange bei
Pflanzen durch einmalige Reize, Planta, 53, 647—669 (1959).
6. P a r i s О. H., J e n n e r Ch. E., Photoperiodic control of diapause in the pitcher-
plant midge, Metriocnemus knabi, p. 601—624. Photoperiodism and Related Phe-
nomena in Plants and Animals, ed. Withrow. Washington, A. A. A. S., 1959.
7. Lang A., Melchers G., Die photoperiodische Reaktion von Hyoscyamus
niger, Planta, 33, 653—702 (1943).
8. Bflnni ng E., Die endogene Tagesrhythmik als Grundlageder photoperiodischen
Reaction, Ber. dtsch. bot. Ges., 54, 590—607 (1936).
9. В u n n i n g E., Die physiologische Uhr. Berlin, Springer-Verlag, 1958.
10. Went F. W., The periodic aspect of photoperiodism and photoperiodicity, p. 551 —
564. Photoperiodism and Related Phenomena in Plants and Animals, ed. Withrow.
Washington, A. A. A. S., 1959.
11. W i t h г о w R. B., Kinetic analysis of photoperiodism, p. 439—471. Photoperi-
odism and Related Phenomena in Plants and Animals, ed. Withrow. Washington,
A. A. A. S., 1959.
12. Clauss H., R a u W., Uber die Bliitenbildung von Hyoscyamus niger und
Arabidopsis in 72-Stunden-Zyklen, Z. f. Bot., 44, 437—454 (1956).
13. Clauss H., S c h we m m 1 e B., Substanzproduktion und Chlorophyll-
bildung von Keimpflanzen in 72-Stunden-Zyklen mit aufgeteilter Lichtphase,
Z. f. Bot., 47, 226—250 (1959).
14. Claes H., Lang A., Die Bliitenbildung von Hyoscyamus niger in 48 stiindigen
Licht-Dunkel-Zyklen und in Zyklen mit aufgeteilten Lichtphasen, Z. Naturforsch.,
2b, 56—63 (1947).
15. Claes H., Die Beteiligung des dissimilatorischen Stoffwechsels an derphotoperi-
odischen Reaktion von Hyoscyamus niger. Dissertation Tubingen (1945).
16. Harder R., Bode O., Ober die Wirkung von ZwischenbelichtungenJwahrend
der Dunkelperiode auf das Bliihen, die Verlaubung und die Blattsukkulenz bei
der Kurztagpflanze Kalanchoe blossfeldiana, Planta, 33, 469—504 (1943).
17. Biinning E.,JoerrensG., Tagesperiodische antagonistische Schwankungen
der Blauviolett- und Gelbrot-Empfindlichkeit als Grundlage der photoperiodi-
schen Diapause-Induktion bei Pierisbrassicae, Z. Naturforsch., 15b, 205—213 (1960).
18. В ii n s о w R., Ober tages- und jahresrhythmische Anderungen der photoperiodi-
schen Lichtempfindlichkeit bei Kalanchoe blossfeldiana und ihre Beziehungen zur
endogenen Tagesrhythmik, Z. f. Bot., 41, 257—276 (1953).
19. Melchers G., Die Beteiligung der endonomen Tagesrhythmik am Zustandekom-
men der photoperiodischen Reaktionen der Kurztagpflanze Kalanchoe blossfel-
diana. Z. Naturforsch. 11b, 544—548 (1956).
20. L б r c h e r L., Die Wirkung verschiedener Lichtqualitaten auf die endogene
Tagesrhythmik von Phaseolus, Z. f. Bot, 46, 209—241 (1958).
21. N a n d а К- K-, Hamner К- C., Studies on the nature of the endogenous
rhythm affecting photoperiodic response of Biloxi soy bean, Bot. Gaz., 120,
14—25 (1958).
22. S a c h s R. M., Dual day length requirements for floral initiation, p. 315—320.
Photoperiodism and Related Phenomena in Plants and Animals, ed. Withrow.
Washington, A. A. A. S., 1959.
23. Wolfson A., The role of light and darkness in the regulation of spring migration
and reproductive cycles in birds, p. 679—716. Photoperiodism and Related Pheno-
mena in Plants and Animals, ed. Withrow., Washington, A. A. A. S., 1959.
24. К о n i t z W., Bliihhemmung bei Kurztagpflanzen durch Hellrot- und Dunkelrot-
licht in der photo- und skotophilen Phase, Planta, 5, 1—29 (1958).
Р. Б Ю Н 3 О В
Циркадный ритм фотопериодической
реактивности Kalanchoe
о
У Kalanchoe известно несколько ритмических процессов, которые
носят более или менее эндогенный характер. Среди них — суточные изме-
нения осмотического давления [1], поглощения воды [1, 2], сырого веса [3],
тургора [1], гуттации [4], обмена углекислоты [5—7], кислотности [3],
фосфатазной активности [8], содержания веществ, стимулирующих рост
корневой системы [3], устойчивости к высоким температурам [9, 10] и чув-
ствительности к температурным [11] и световым воздействиям [12—19].
Изменения всех перечисленных показателей имеют один и тот же 24-часовой
период, но не всегда находятся в одинаковой фазе. Например, открывание
и закрывание цветков связано в основном с изменением тургора лепестков.
Поэтому колебания этих величин совпадают с изменениями осмотического
давления и сырого веса цветков. Общая кислотность тканей лепестков
и поглощение цветками воды колеблются синхронно с изменениями скоро-
сти движения цветков. Устойчивость листьев к высоким температурам
изменяется в противофазе со степенью открывания цветков. Гипотетиче-
скую систему, лежащую в основе всех циркадных процессов, мы называем
эндосуточной системой (endodiurnal system).
Перед нами стоят следующие вопросы: а) что мы можем узнать об эндо-
суточной системе, изучая циркадные явления, и б) могут ли данные об эндо-
суточной системе помочь нам в объяснении фотопериодических явлений.
Сравним вначале наиболее известный ритмический процесс — движе-
ния цветков [11—13, 17, 20] — с фотопериодической реакцией, выражаю-
щейся в переходе растений к цветению [6, 11—19, 21, 22]. Для упрощения
пренебрежем изменениями амплитуды и будем рассматривать на синусои-
дальной кривой, описывающей движения цветков, только 4 кардинальные
точки, а именно: максимум, точку перегиба с отрицательным наклоном,
минимум и точку перегиба с положительным наклоном (фиг. 1). В ходе
суточных циклов цветки всегда открываются полностью примерно в середи-
не светового периода (фиг. 2). Цветение у Kalanchoe возможно уже при очень
коротких световых периодах (см. фиг. 2). Поэтому можно предположить,
что в том состоянии эндосуточной системы, которое соответствует максималь-
ному открыванию цветков, свет особенно сильно стимулирует цветение.
Это значит, что эндосуточная система находится в фотофильной фазе (по
терминологии Бюннинга [23]).
Увеличение длительности светового периода продолжает стимулиро-
вать цветение (пока не достигнута оптимальная длина дня — приблизитель-
но 9 час). В этих условиях световой период всегда приходится на область
Циркадный ритм, фотопериодической реактивности
423
между двумя точками перегиба, расположенными по обе стороны от макси-
мума. При дальнейшем увеличении светового периода (более 9 час) число
появившихся цветков постепенно уменьшается в результате тормозящего
действия света. Когда длина дня достигает так называемой критической
величины 12—12,5 час, происходит компенсация стимулирующего и тормо-
зящего действия света. Если световой период больше критической величи-
ны, тормозящее действие света преобладает. При длине светового периода
более 9 час колебания эндосуточной системы
происходят таким образом, что освещение
приходится между двумя точками перегиба,
расположенными по обе стороны минимума.
Таким образом, вполне вероятно, что эта
Числа
Время суток.
Фиг. 2. Влияние суточных цик-
лов освещения на ритм движений
цветков и на цветение Kalanchoe
[12].
Фиг. 1. Сравнение суточных изменений дви-
жений цветков и фотопериодической реактивно-
сти у Kalanchoe [12].
Темновые периоды заштрихованы. Ф — фотофильная,
С — скотофильная фазы. Стрелка вверх означает макси-
мум, стрелка вниз — минимум, перечеркнутые кру-
жочки — точки перегиба с положительным или отрица-
тельным наклоном.
часть ритма соответствует скотофильному состоянию эндосуточной системы.
Исходя из всего сказанного, можно предположить, что движения цветков
и изменение фотопериодической реактивности происходят почти синхронно
(см. фиг. 1). Справедливость этой гипотезы была доказана с помощью хоро-
шо известного метода — кратковременного освещения растений во время
темнового периода.
Известно, что в суточных циклах происходит регулярное чередование
фото- и скотофильных фаз в хорошем соответствии с нашей гипотезой (фиг. 3).
В двухсуточных циклах, когда световой и темновой периоды вместе составля-
ют 48 час, кратковременное освещение позволяет обнаружить две фотофиль-
ные фазы, чередующиеся с двумя скотофильными фазами (фиг. 4). Так же
как и в случае движений цветков (см. фиг. 2), с увеличением длины светового
периода фазы фотопериодической реактивности сдвигаются вправо. Вторая
скотофильная фаза выражена чуть слабее первой. Может показаться, что
это противоречит характеру движения цветков (фиг. 5), где второй минимум
обычно больше первого. Причиной этого эффекта является еще одна хорошо
известная особенность эндосуточной системы. Каждое прерывание темнового
периода изменяет характер колебаний. Это изменение зависит от ряда
факторов и в том числе от момента включения света. Прерывание темнового
периода, предшествующее основному световому периоду, сдвигает фазу
Время включения света после начала
темнового периода, час
Фиг. 3. Влияние момента кратковременного включения света
на цветение при чередовании 9 час света и 15 час темноты [15].
Фиг. 4. Влияние момента кратковременного включения света
на цветение при двухсуточных циклах освещения с различной
длительностью основного светового периода
(указана на кривых) [13].
Отсутствие зацветания в течение 100 дней после включения света принято
за нулевой уровень.
Фиг. 5. Движение цветков при двухсуточных циклах освещения
со световым периодом 6 час [12],
Ф и г. 6. Действие кратковременного включения света на ритм
движения цветков при суточных циклах освещения с основным
световым периодом 12 час и на цветение — при циклах с 11 час
света [12].
Данные по цветению — по Хардеру и Боде [15].
0 4 8 12 16 20 24 28 32 3640 44 48
Бремя после начала основного светового периодауас
Фиг. 7. гДействие кратковременного включения света на ритм
движений и на цветение у Kalanchoe при двухсуточных циклах
освещения с основным световым периодом 14 час [12].
Данные по цветению — по Хардеру и Гюммеру [22].
Время выключения света после начала основного свето-
вого периода, час
о
t
§
Фиг. 8. Действие кратковременного включения света на цветение
при трехсуточных циклах освещения [16, 18].
Длина основного светового периода указана на кривых.
426
Р. Б ю н з о в
ритма влево (фиг. 6). Растение переходит в фотофильное состояние раньше,
чем это произошло бы без дополнительного освещения. Соответственно
раньше наступает и следующая скотофильная фаза. Следовательно, большая
часть основного светового периода приходится на скотофильное состояние
растения; То же самое происходит при двухсуточных циклах (фиг. 7).
Строго говоря, торможение цветения в этом и подобных случаях в первую
очередь связано с концом светового периода, а не с дополнительным кратко-
временным освещением. Это и есть, по-видимому, основная причина того,
что в двухсуточных циклах вторая скотофильная фаза выражена почти
так же сильно, как и первая.
В случае трехсуточных циклов длительностью 72 час наблюдается
3 фотофильные и 3 скотофильные фазы, которые чередуются через каждые
12 час (фиг. 8). При этом вторая скотофильная фаза выражена значительно
слабее первой. Так же как и в случае движений цветков, относительно длин-
ный темновой период настолько уменьшает амплитуду, что экспериментато-
ру приходится пользоваться статистическими методами. Напротив, третья
скотофильная фаза выражена почти так же ярко, как и первая. Причина
этого явления та же, что и в случае второй скотофильной фазы в двухсуточ-
ном цикле. Предположение Клэса и Ланга [24] о том, что дополнительное
кратковременное освещение действует вместе с основным освещением, под-
тверждается также опытами, в которых использовались циклы длиной
более двух суток.
Была сделана попытка проанализировать ритм фотопериодической
реактивности с помощью четырехсуточных циклов [19]. Авторы обнаружили
заметное уменьшение числа цветков только у тех растений, которые под-
вергались дополнительному световому воздействию до или после основного
светового периода. С точки зрения циркадных ритмов этот результат тоже
нельзя считать неожиданным. Как мы уже знаем, при относительно длин-
ных темновых периодах колебания затухают, причем скорость затухания
зависит от энергетического состояния осциллирующей системы [20]. У расте-
ний свет действует на ритм по крайней мере двумя способами. Он определяет:
а) фазу колебаний, б) величину амплитуды. Относительно короткие свето-
вые периоды, хотя они еще определяют фазу, не способны поддерживать
амплитуду на достаточно высоком уровне. Если колебания затухают, эндо-
суточная система дольше остается в фотофильном состоянии, так что все
дополнительные световые воздействия в конце концов окажутся более или
менее стимулирующими. Возобновить колебания можно только с помощью
сравнительно длинного светового периода. При этом первая скотофильная
фаза наступит через 8—10 час после начала основного светового периода,
как это всегда бывает при суточном ритме. Таким образом, по-видимому,
при четырехсуточных циклах в определенных условиях проявляются только
два максимума фотопериодической реактивности. Оба они вызваны одними
и теми же колебаниями эндосуточной системы, которые вновь запускаются
каждым следующим световым периодом. В первый раз подавление цветения
вызывается тормозящим действием дополнительного освещения. Во второй
раз оно связано, как уже говорилось, с соотношением основного светового
периода и предшествующего дополнительного освещения, что влияет на
фазу эндосуточных колебаний. В этом случае дополнительное торможение
цветения вызывается только концом основного светового периода.
Позвольте мне в заключение сказать, что результаты всех наших опы-
тов по фотопериодизму находятся, по-видимому, в хорошем согласии с пред-
положением о наличии у Kalanchoe эндосуточной системы.
Циркадный ритм фотопериодической реактивности
427
ЛИТЕРАТУРА
1. Biinsow R., неопубликованные данные.
2. Z u г L i р р е Т., Wasseraufnahme und Bliitenbewegung in Kalanchoe — Inflores-
zenzen in verschiedenen Licht-Dunkelwechseln, Z. Bot., 45, 43—55 (1957).
3. В e c k e r T., Wuchsstoff- und Saureschwankungen bei Kalanchoe blossfeldiana
in verschiedenen Licht-Dunkelwechseln, Planta, 43, 1—24 (1953).
4. Heimann M., Einfluss periodischer Beleuchtung auf die Guttationsrhytmik,
Planta, 38, 157—195 (1950).
5. Gregory F. G., Spear I., Thimann К. V., The interrelation between
CO2 metabolism and photoperiodism in} Kalanchoe, Plant Physiol., 29, 220—227
(1954).
6. Schmitz J., Uber Beziehungen zwischen Bliitenbildung in verschiedenen Licht-
Dunkelkombinationen und Atmungsrhythmik bei wechselnden photoperiodischen
Bedingungen, Planta, 39, 271—308 (1951).
7. Spear I., Thimann К. V., The interrelation between CO2 metabolism and
photoperiodism in Kalanchoe. II. Effect of prolonged darkness and high tempera-
tures, Plant Physiol., 29, 414—417 (1954).
8. Ehrenberg M., Einfluss verschiedenen Licht-Dunkel-wechsels auf die Rhy-
thmik der Phosphataseaktivitat in den Blattern von Kalanchoe blossfeldiana,
Planta, 43, 528—536 (1954).
9. Schwemmle B., Lange O. L., Neue Beobachtungen fiber die endogene
Tagesrhythmik, Nachr. Akad. Wiss. Gottingen. Math.-Phys. KI., 29—35 (1959).
10. S c h w e m m 1 e B., Endogen-tagesperiodische Schwankungen der Hitzeresistenz
bei Kalanchoe blossfeldiana, Planta, 53, 134—144 (1959).
11. Schwemmle B., Zur Temperaturabhangigkeit der Bliitenbildung und der
endogenen Tagesrhythmik bei Kalanchoe blossfeldiana, Naturwiss., 44, 356
(1957).
12. Biinsow R., Endogene Tagesrhythmik und Photoperiodismus bei Kalanchoe
blossfeldiana, Planta, 42, 220—252 (1953).
13. В ii n s о w R., Uber tages- und jahresrhythmische Anderungen der photoperiodi-
schen Lichtempfindlichkeit bei Kalanchoe blossfeldiana und ihre Beziehungen
zur endogenen Tagesrhythmik, Z. Bot., 41, 257—276 (1953).
14. C a r r D. J., A critical experiment on Bunning’s theory of photoperiodism, Z. Na-
turf., 7b, 570—571 (1952).
15. Harder R., В ode O., Uber die Wirkung von Zwischenbelichtung wahrend der
Dunkel-periode auf das Bliihen, die Verlaubung und die Blattsukkulenz bei der
Kurztagpflanze Kalanchoe blossfeldiana, Planta, 33, 469—504 (1943).
16. Melchers G., Die^Beteiligung der endonomen Tagesrhythmik am Zustandekom-
men der photoperiodischen Reaktion der Kurztagpflanze Kalanchoe blossfel-
diana, Z. Naturf., lib, 544—548 (1956).
17. О 1 t m a n n s O., Uber den Einfluss der Temperatur auf die endogene Tagesrhyth-
mik und die Bliihinduktion bei der Kurztagpflanze Kalanchoe blossfeldiana, Planta,
54, 233—264 (1960).
18. S c h w a b e W. W., Photoperiodic cycles of length differing from 24 hours in rela-
tion to endogenous rhythms, Physiol., Plantarum, 8, 263—278 (1955).
19. S p e a r I., S z a f i г E. V., A critical experiment on Biinning’s endogenous rhy-
thm theory of photoperiodism, Plant Physiol., 30, XXI (1955).
20. Bunsow R., Uber den Einfluss der Lichtmenge auf die endogene Tagesrhythmik
bei Ка1апс1гоё blossfeldiana, Biol. Zbl., 72, 465—477 (1953).
21. Harder R., Vegetative and reproductive development of Kalanchoe blossfeldiana
as influenced by} photoperiodism, Sympos. Soc. Exp. Biol., 2, 117—138
(1948).
428
Р. Б ю н з о в
22. Harder R., G u m m е г G., Ober die В liitenbildung von Kalanchoe blossfeldiana
in verschiedenen Licht-Dunkel-Rhythmen, Planta, 37, 12—47 (1949).
23. В iinn ing E., Die physiologische Uhr. Berlin, Springer-Verlag, 1958.
24. Claes H., Lang A., Die Bliitenbildung von Hyoscyamus niger in 48-stiindigen
Licht-Dunkelzyklen und in Zyklen mit aufgeteilten Lichtphasen, Z. Naturf,
2b, 56—63 (1947).
ОБСУЖДЕНИЕ ДОКЛАДА
С и р о х и. Д-р Бюнзов рассмотрел влияние кратковременного освеще-
ния на растения, находящиеся в условиях 48-часовых (или, как он их назы-
вает, двухсуточных световых циклов). Здесь уместно вспомнить некоторые
наши данные (Сирохи и Хамнер), касающиеся таких циклов. Мы довольно
подробно исследовали влияние двухсуточных циклов на растения сои сорта
Билокси (подробности методики описаны в статье Хамнера). Растения
подвергались 8-часовому освещению, а затем 40 час находились в темноте.
В контрольных опытах, когда темновой период не прерывался, образовы-
валось приблизительно 40 цветков на 10 растений. В других опытах через
16 час после наступления темнового периода, т. е. спустя 24 час после начала
двухсуточного цикла, включали яркий свет на срок от 1 до 16 час. Растения,
подвергавшиеся такому дополнительному освещению, сравнивали с кон-
трольными. Было отмечено, что световые возмущения длительностью 1—6 час
вызывают резкое усиление цветения, которое достигает максимума, когда
соцветия образуются на всех узлах. При дальнейшем увеличении длитель-
ности световых возмущений приблизительно до 11—12 час эффект постепен-
но снижался от максимального до некоторого среднего уровня. Таким
образом, световые возмущения длительностью около 12 час не стимулировали
и не тормозили цветение по сравнению с контролем. Световые периоды
длительностью более 12 час подавляли цветение. При световых возмущениях
длительностью более 14 час растения не зацветали вовсе.
Была проведена другая серия контрольных опытов, в которых исполь-
зовали 24-часовые циклы. В этих опытах длительность светового периода
была сравнима с длительностью светового возмущения при двухсуточных
циклах. При этом максимальное цветение наблюдалось при 7-часовых
световых периодах. Двенадцатичасовые световые периоды оказывали сти-
мулирующее действие, в результате чего дополнительно образовывалось
около 30 цветков.
Результаты, полученные при исследовании световых периодов, близких
к 12-часовым, кажутся нам весьма важными. Такие световые периоды, когда
они включены в односуточные (24-часовые) циклы, стимулируют цветение.
Однако, когда их применяют в качестве световых возмущений в двухсуточ-
ных циклах, они не оказывают никакого влияния на цветение, хотя, каза-
лось бы, можно было ожидать его усиления (40 + 30 = 70 цветков).
Бюнзов интерпретировал результаты своей работы, исходя из представ-
лений Бюннинга. Мне хотелось бы, однако, отметить, что объяснение пере-
численных выше результатов с помощью гипотезы Бюннинга встречает
ряд трудностей. На подобные затруднения указывает также Хамнер, и это
заставляет предположить, что опыты со световыми возмущениями имеют
лишь ограниченную ценность для объяснения ритма, определяющего насту-
пление цветения.
Бюнзов. Как очень четко показал д-р Хамнер, опыты со световыми
возмущениями имеют большое значение для объяснения ритма, определяю-
щего наступление цветения. Ваши весьма интересные данные еще раз пока-
Циркадный ритм фотопериодической реактивности
429
зывают, насколько полезно бывает сравнение результатов опытов по фото-
периодизму с синусоидальными или другими колебаниями, как это делали
Вы и как до Вас делали другие авторы. Но если Вы хотите выяснить, под-
даются ли Ваши результаты объяснению с помощью теории Бюннинга,
Вы не должны ограничиваться только фотопериодическими эксперимента-
ми. Насколько я понимаю, теория Бюннинга говорит, что за ритм фото-
периодической реактивности ответственны «часы» данного растения. Для
того чтобы убедиться в правильности этого утверждения, необходимо изу-
чить ход этих часов с помощью других, не только фотопериодических,
экспериментов, как мы и поступили в опытах с Kalanchoe. Тогда Вы
можете сравнивать результаты, получаемые при разных фотопериодиче-
ских режимах, с поведением эндосуточной системы индивидуума, штамма или
вида, с которыми Вы работаете. Это и было основной задачей наших опытов
с Kalanchoe, в которых мы сравнивали суточные изменения фотопериоди-
ческой реактивности с процессами, в которых проявляется ход часов,
а именно с открыванием и закрыванием цветков у этих растений.
А. Л И С
Некоторые аспекты проблемы
фотопериодизма у животных
о
Многие животные способны различать суточные циклы с разной про-
должительностью света и темноты. Ясно, что эта способность основана
на возможности измерять время, поскольку по существу речь идет о срав-
нении различных интервалов времени. Механизм, обеспечивающий такую
возможность, можно рассматривать как часы особого типа, а именно как
хронометр интервалов. Хотя сезонные реакции животных на длину дня
хорошо известны, сведения о локализации и способе действия часов имеются
только для нескольких групп животных, среди которых лучше других
изучены птицы и членистоногие.
У птиц годовой цикл активности гонад, отложение жира перед мигра-
цией, перелеты и другие функции часто контролируются продолжитель-
ностью светового периода. Наиболее подробно изучена реакция семенни-
ков на свет, и я кратко коснусь здесь некоторых ее характерных черт для
сравнения с аналогичной реакцией у членистоногих. Исчерпывающие
сведения по данному вопросу можно найти в обзорах Вольфсона [1], Фар-
нера [2] и Окше и др. [3]. У насекомых и клещей световой период часто
определяет начало диапаузы (задержку роста во время летней или
зимней спячки), а также сезонные смены форм у полиморфных видов, нап-
ример тлей [4—6].
ФОТОПЕРИОДИЧЕСКАЯ РЕГУЛЯЦИЯ РОСТА
СЕМЕННИКОВ У ПТИЦ
В конце сезона размножения у североамериканского перелетного
вьюрка Zonotrichia leucophrys наступает рефрактерный период, в
в течение которого птицы нечувствительны к стимуляции под влиянием
света даже в условиях длинного дня. В начале года этот период сменяется
«прогрессивной» фазой, во время которой чувствительность восстанавли-
вается. Связь длины светового периода и скорости роста семенников во вре-
мя прогрессивной фазы изучали Фарнер [2] и другие. Они показали, что
рост семенников можно обнаружить даже при длине светового периода менее
8 час. С увеличением продолжительности освещения скорость роста также
увеличивается и достигает максимума при круглосуточном освещении
(фиг. 1, А).
Проблема фотопериодизма у животных 431
Для того чтобы вызвать рост семенников, не обязательно увели-
чивать длительность периодов освещения, достаточно эффективны и
постоянные относительно короткие (12 час) световые периоды; правда, ско-
рость роста при этом оказывается соответственно меньшей. Таким образом,
здесь нет критической, в обычном смысле слова, длины светового периода.
Это количественное соотношение между скоростью роста и общей про-
должительностью освещения привело сначала к предположению, что
действие отдельных световых периодов в суточном цикле просто сумми-
руется [1].
Так как первоначальные опыты по суммированию действия отдельных
световых периодов проводились в рамках 24-часового цикла смены света
и темноты, оценить роль темнового периода было невозможно. Интересные
данные по этому вопросу были получены путем сочетания в одном цикле
стимулирующего светового периода известной длины и длительного тем-
нового периода. Такие циклы, как СТ 12 : 16, СТ 12 : 20 и СТ 16:32,
все оказались стимулирующими, что указывает на действительное значе-
ние светового периода как эффективной части цикла [7].
Хорошо известно, что у растений темновой период играет большую
роль в процессах фотопериодической регистрации времени. В тех случаях,
когда продолжительный период темноты прерывается короткими проме-
жутками освещения, влияние темноты часто сводится к нулю. Весьма
сходные результаты были получены в аналогичных опытах на птицах.
Например, такие циклы, как СТСТ 8х/4: 7 : РД 7 и СТСТ 9 : 7 :1 : 7, несом-
ненно вызывали стимуляцию, хотя общая продолжительность световых
периодов составляла всего 10 час в сутки [8, 9]. Приведенные данные
заставляют предполагать, что торможение роста связано с длительными
периодами темноты.
Эти на первый взгляд противоречивые результаты стали более понят-
ными после того, как было выяснено, что эффективность данной длитель-
ности освещения увеличивается, если световой период разбивается на более
короткие отрезки времени. Так, серия последовательных 50-минутных
периодов света и темноты с общей продолжительностью освещения 6 час
эквивалентна 12-часовому непрерывному освещению [2]. Эффективен
также цикл 1 час света — 2 час темноты, хотя общая ежесуточная дли-
тельность света и темноты в этом случае эквивалентна циклу СТ 8 : 16,
неэффективному в нормальных условиях [1]. Активность таких чрезвы-
чайно коротких световых периодов, возможно, связана с длительностью
расположенных между ними темновых периодов. Действительно, когда
2-секундные вспышки света разделяются только 58 сек темноты, они вызы-
вают рост семенников, а при удлинении темновых периодов до 15 мин
стимуляция не наблюдается [2].
Эти результаты привели Фарнера к заключению, что процессы, иниции-
рованные светом, в действительности протекают во время последующего
темнового периода, в связи с чем он ввел понятие «смещенный (carry-over)
период». Соотношения длительностей световых и темновых периодов позво-
ляют предположить, что на свету реакция начинается очень быстро (воз-
можно, в течение минуты), тогда как для исчезновения активного фото-
продукта требуется несколько часов. Можно ли действие перерывов в осве-
щении в описанных выше опытах отнести за счет существования «смещен-
ного периода», станет ясно только после подробного исследования кине-
тики фотореакции. Тем не менее некоторые работающие в этой области иссле-
дователи считают, что темновой период играет в измерении времени только
негативную роль.
432
А. Л и с
МЕХАНИЗМ ФОТОПЕРИОДИЧЕСКОЙ СТИМУЛЯЦИИ У ПТИЦ
В настоящее время общепризнано, что развитие семенников находится
под непосредственным влиянием света, а не является побочным следствием
увеличения активной фазы суточного цикла. Что собой представляют соот-
ветствующие рецепторы и где они расположены, до сих пор точно не уста-
новлено, но эксперименты Бенуа и его сотрудников на домашних утках
показали, что свет воспринимается как глазами, так и помимо них. Так,
если зрительный нерв перерезан, реакция семенников при слабом освеще-
нии прекращается, но когда свет попадает через тонкие кварцевые палочки
прямо в мозг, она сохраняется. Оказалось, что соответствующие центры
расположены в гипоталамусе [10—121.
Особенный интерес в связи с изучением механизма фотопериодической
регуляции у птиц вызывает определенная область гипоталамуса, а именно
срединное возвышение (median eminence) [131. Эта структура, часто содер-
жащая большие количества секрета, состоит главным образом из окончаний
волокон, „ идущих от нейросекреторных клеток супраоптического ядра
гипоталамуса. В настоящее время эндокринным органом, ответственным
за выделение гонадотропных гормонов, контролирующих рост семенников,
считается передняя доля гипофиза. Предполагают, что связь между гипо-
таламусом и передней долей гипофиза является нейрогуморальной. На такую
возможность указывает, в частности, анатомическое строение мозга птиц,
так как у них сосуды гипоталамуса и гипофиза теснейшим образом свя-
заны с срединным возвышением и дистальными частями передней доли
гипофиза.
Важные данные, полученные Окше, Лоусом, Камемото и Фарнером
[3] на Zonotrichia, показали, что между фотопериодическим воздействием
и интенсивностью нейросекреции в супраоптическом ядре и срединном
возвышении существует тесная корреляция. Ранним летом, в конце сезона
размножения, количество секрета в срединном возвышении очень мало;
но осенью, когда птицы еще нечувствительны к фотопериодической стиму-
ляции, секрет начинает накапливаться. Количество его велико также
и у птиц, содержавшихся примерно в течение 9 месяцев в условиях корот-
кого дня. Если такие особи находятся на свету 20 час в сутки, то окра-
шивающееся вещество быстро исчезает; особенно мало его во второй поло-
вине светового периода. Во время последующих 4 час темноты запасы этого
вещества снова пополняются.
Очевидно, что дополнительное освещение стимулирует синтез нейро-
секретов клетками ядра гипоталамуса. Далее, исчезновение нейросекре-
торного вещества при продолжительной фотостимуляции, по-видимому,
указывает на то, что свет также способствует высвобождению секрета из
срединного возвышения. Можно предположить, что для уравновешивания
процессов накопления и освобождения секрета необходимо, чтобы процесс
освобождения продолжался некоторое время в темноте. Если бы это было
так, то существование «смещенного периода» было бы объяснено.
ФОТОПЕРИОДИЗМ У ЧЛЕНИСТОНОГИХ
В отличие от фотопериодической реакции семенников у позвоночных
фотопериодические реакции у насекомых и клещей определяют альтерна-
тивные пути развития; таким образом, они действуют по принципу «все
или ничего». Вследствие этого «силу» стимула, регулирующего наступление
Проблема фотопериодизма у животных
433
диапаузы или определение типа потомства, можно оценить (если такая
оценка вообще возможна) только при действии на группу особей. В тех
случаях, когда признаки потомства определяются фотопериодическими
реакциями матери, такая оценка несколько облегчается. В качестве
примера мы используем тлю Megoura. У этого вида родители, развитие
которых происходит в период длинного дня, производят на свет подоб-
ное себе партеногенетическое потомство, которое в свою очередь, развиваясь
в условиях короткого дня, дает яйцекладущее потомство [6]. Как было
Длина светового периода> час
Фиг. 1.
Влияние длины светового периода на рост семенников! у Zonotrichia leucophryc gambelii (/) [21
и фотопериодическая регуляция наступления диапаузы у клеща [ДГetatetranychus ulmi
показано на клещах Metatetranychus, для поведения членистоногих в зави-
симости от длительности светового периода характерно наличие резко
выраженного критического периода (кривая II на фиг. 1) [14]. У Megoura
переход от «эффекта короткого дня» к «эффекту длинного дня» при удлинении
светового периода от 141/2 до 15 час происходит менее чем за 30 мин [6].
Добиться «эффекта длинного дня» сложением повторяющихся циклов
короткого дня невозможно. Следовательно, о суммировании действия отдель-
ных световых периодов у членистоногих не может быть и речи. Напротив,
большое значение приобретает, по-видимому, длина периода цикла свет —
темнота.
РОЛЬ СВЕТА И ТЕМНОТЫ
Опыты, в которых световой и темновой периоды варьировали как неза-
висимые переменные, показали, что индукция диапаузы у Metatetranychus
зависит от абсолютной продолжительности обоих периодов [15]. Если за све-
товыми периодами различной длительности следуют короткие (8 час) периоды
темноты, то более длинные (12 и 16 час) световые периоды оказываются более
эффективными в предотвращении диапаузы (фиг. 2, Л). Но результаты
опытов, в которых сочетали постоянный длительный темновой период (12 час)
с длительными или очень длительными световыми периодами, показали,
434
А. Л и с
что темнота имеет не меньшее, если не большее значение. Например,
12-часовой темновой период полностью уничтожает действие 36-часового
светового периода (фиг. 2, Б). Из этого следует, что процессы измерения
времени включают в себя измерение длительности как светового, так и тем-
нового периодов. Более того, по-видимому, эти два процесса являются анта-
гонистическими, поскольку продолжительное пребывание на свету бла-
гоприятствует непрерывному развитию, а продолжительное пребывание
в темноте — диапаузе.
0~4 8 12 16 20 24 28 32 36 40 44 48 52 56 60 64 68 72
Время, час
Ф и г. 2 Влияние различных световых циклов на наступление диапаузы у клеща
Metatetranychus ulmi [15].
Цифры означают долю самок (в процентах), откладывающих диапаузирующие яйца Объяснение
см. в тексте.
Подобное же значение имеет темновой период у многих других видов.
Например, для бабочки Antheraea высокоэффективным является цикл
СТ 59 : 13 [16].
Несмотря на решающее значение темнового периода для членистоногих,
они обычно менее чувствительны к световым «перерывам» в нем, чем птицы
или растения. У Metatetranychus, например, цикл СТСТ 8 : 6 : 4 : 6, несмот-
ря на наличие 4-часового светового «перерыва» ночью, вызывает диапаузу
столь же эффективно, как и цикл СТ 8 : 16. По-видимому, это указывает
на то, что развитие фотореакции до некоторого эффективного уровня про-
текает у членистоногих намного более медленно, чем у позвоночных. Тем
не менее у некоторых насекомых наблюдается несколько большая чув-
ствительность к подобным перерывам. Так, личинки Metriocnemus в обыч-
ных условиях удерживаются в состоянии диапаузы при режиме короткого
дня (например, СТ 11 : 13). Однако включение света во время темнового
периода всего на Р/2 час (СТСТ Ю1^ : 6 : Р/2:6) уже вызывает окуклива-
ние значительной части личинок; если свет разбивает темновой период на две
неравные части (например, цикл СТСТ 101/2 : 2Р4 : Р/2 : 93/4), то действие
его усиливается, хотя один непрерывный световой период той же длитель-
ности (12 час) в суточном цикле был бы неэффективен [17]. Обусловлен ли
этот результат несоответствием нового периода темноты световому периоду
(проистекающим из сравнительно быстрого развития световой реакции)
или «переносом» световой реакции в последующую темновую фазу, пока
не ясно.
Проблема фотопериодизма у животных
435
Если членистоногих подвергнуть воздействию светового режима, зна-
чительно отличающегося от нормального, они иногда имеют тенденцию сле-
довать по предполагаемому пути развития их предков (отсутствие диапаузы).
В качестве примера можно привести бабочек Grapholitha [18]. Подобное
же поведение описано для бабочки Acronycta, находящейся в условиях дли-
тельных световых циклов с одинаковой продолжительностью света и
темноты. При циклах СТ 12 : |12 и СТ 24 : 24 это насекомое всегда пере-
ходит в состояние диапаузы, но при более длительных циклах (например,
СТ 48 : 48, СТ 72 : 72 и т. д.) темновой период неожиданно утрачивает
свою эффективность и образуются только куколки, неспособные к пе-
реходу в состояние диапаузы [19].
Нормальная работа механизма измерения времени нарушается, по-ви-
димому, также при постоянной темноте. В этих условиях у Grapholitha [18]
или Pieris [20] наблюдается полное отсутствие диапаузы. Однако боль-
шинство видов реагирует на постоянную темноту самым различным образом,
от реакции по типу короткого дня у одних особей до реакции по типу дол-
гого дня у других. Подобный тип реакции наблюдается у Metatetranychus
(см. фиг. 1) [14], Diataraxia [21], Metriocnemus [17] и многих других. Хотя
доля особей, переходящих в состояние диапузы, более или менее постоянна
для каждого из этих видов, данные показывают, что регулирующая этот
процесс система находится в состоянии неустойчивого равновесия. Ниже
описаны наблюдения, представляющие с этой точки зрения определенный
интерес.
ФОТОПЕРИОДИЗМ У ТЛИЦЛ1Е(?О£//?4 VICIAE
Тип потомства у Megoura определяется фотопериодической реакцией
материнского организма; эта реакция начинает действовать в то время,
когда мать еще находится в эмбриональном состоянии — при этом свет,
вероятно, действует прямо на эмбрион через стенку тела самки предыду-
щего поколения [22]. Личинка при вылуплении уже содержит несколько
эмбрионов следующего поколения (будущее потомство). Именно на этой
стадии они впервые начинают реагировать на регулирующее воздействие
со стороны матери [6]. Последующая овуляция обеспечивает возникновение
ряда эмбрионов, которые достигают стадии компетенции, а затем, пройдя
через процесс «детерминации», переходят в состояние, при котором изме-
нение стимулов, исходящих из материнского организма, на них уже не
влияет. Таким образом, изучая ряд последовательных потомков, можно
установить, каким образом реагирует на изменение фотопериодического
режима регулирующая система матери.
Тли, подвергаемые воздействию 8 или 12 час света в сутки («сильный»
стимул короткого дня), производили только яйцекладущее потомство,
тогда как при «сильном» стимуле длинного дня — 16 час света —
те же тли размножались только партеногенетически. Непрерывная темнота
оказалась «слабым» стимулом, до некоторой степени способствующим появ-
лению яйцекладущего потомства. Если тли непрерывно находятся в тем-
ноте, начиная с пренатального периода, они обычно начинают производить
яйцекладущее потомство, но некоторые особи позднее рождают тлей, раз-
множающихся партеногенетически. Подобного рода «смещение» особенно
часто происходит у родителей, которые до рождения испытывали воздей-
ствие длительного дня, направляющее материнский организм на произве-
дение партеногенетического потомства, и затем были перенесены в усло-
вия «слабого» противоположного стимула — постоянной темноты. Данные,
436
А. Л и с
полученные при отборе экземпляров из потомства одних и тех же особей, но
различного времени выплода (см. таблицу), показывают, что достигшие поло-
возрелости тли сначала производят партеногенетическое потомство в соот-
ветствии с первоначальным длительным воздействием света, но затем дают
перемежающиеся группы потомства обоих типов. Рассмотрение таблицы
показывает, что характер «детерминации» может изменяться вплоть до трех
раз. В настоящее время представляется весьма вероятным, что управление
эмбриональным развитием осуществляется эндокринной системой и что
этот процесс «сцеплен» с фоторецепторной системой. В отсутствие фото-
периодического стимула, имеющего решающее значение, это объединение,
по-видимому, нарушается, в результате чего возникают беспорядочные
изменения в активности эндокринной системы.
Потомства*, произведенные пятью партеногенетическими самками тли Megoura,
подвергавшимися на протяжении своей жизни воздействию различных
световых режимов при 15°
* П—партеногенетические, Я—яйцекладущие.
Данные, обсуждавшиеся в этом разделе, свидетельствуют о том, что
в управлении фотопериодическими процессами измерения времени у чле-
нистоногих принимают участие как световая, так и темновая фазы цикла
освещения. Действительно, в этом процессе вполне могут участвовать взаим-
но противоположные реакции синтеза и распада. Результаты, полученные
в опытах на Megoura, возможно, объясняют, почему постоянная темнота
не оказывает такого же влияния, как продолжительный темновой период.
Для того чтобы привести в действие фотопериодические реакции чле-
нистоногих, недостаточно однократного воздействия цикла подходящей
длительности. У некоторых видов (например, Antheraca) такие циклы
должны повторяться на протяжении почти всего личиночного развития,
т. е. в течение нескольких недель. Для Megoura при благоприятных обстоя-
тельствах бывает достаточно 4—6 суточных циклов. Из этого вытекает,
что для накопления продуктов, образующихся во время следующих один
за другим циклов свет — темнота, должны существовать какие-то опреде-
ленные механизмы. Природа этого процесса у насекомых, которым свой-
ственна диапауза, непонятна, особенно потому, что период чувствительности
к свету наступает у них иногда задолго до появления гуморального сти-
мула, определяющего прекращение роста. Но возможно, что в случае
Megoura такое явление объясняется просто достижением (или нарушением)
некоторого порогового уровня гормона.
Проблема фотопериодизма у животных
437
ФОТОПЕРИОДИЧЕСКОЕ ИЗМЕРЕНИЕ ВРЕМЕНИ
И ЭНДОГЕННЫЕ РИТМЫ
По гипотезе Бюннинга [23], фотопериодическая реакция у растений
определяется 24-часовым эндогенным ритмом чувствительности к свету.
Согласно этой гипотезе, эффекты длинного и короткого дня зависят от того,
с какой фазой эндогенного ритма растения совпадает освещение — темно-
любивой или светолюбивой. Для доказательства существования таких
ритмов у растений был использован целый ряд методов, но не все они приме-
нимы для других организмов. Например, у членистоногих довольно сложно
изучать изменения чувствительности к перерывам в освещении, так как
они обычно не реагируют на этот тип раздражения. Для изучения перио-
дичности у растений иногда применяют сочетание темнового периода
постоянной длины с рядом различных световых периодов, продолжитель-
ностью вплоть до нескольких дней. Но в таком же опыте, проведенном на
Эмбрион
4 цикла
Личинка
/4 циклов
Взрослая
особь
2-8 циклов
В фазе
Число
циклов
16 8 12 12 час
Доля партено-
генетических
потомковг%
О
28
84
100
О
33
92
100
Фиг. 3. Продолжительность воздействия циклов с длинным днем, при которой тля
Megoura viciae начинает производить партеногенетическое потомство вместо яйцекла-
дущего.
Отметить, что эффективность режима длинного дня не зависит от того, синхронизован ли новый
световой период с предшествующим (коротким).
клеще Metatetranychus (см. фиг. 2), не было обнаружено никаких изменений,
которые можно было бы связать с эндогенной периодичностью.
Был проверен также следующий метод. Хорошо известно, что при
обращении фаз светового цикла, управляющего эндогенным ритмом, сдвиг
фазы ритма не происходит мгновенно. На протяжении по меньшей мере
двух или трех дней, пока не будет достигнута синхронизация с новым
циклом, сохраняется переходное состояние [24]. Тлей Megoura можно заста-
вить производить партеногенетическое потомство вместо яйцекладущего,
заменив сразу же по окончании последней линьки короткий световой
период длительным. Этот процесс значительно облегчается, если материн-
ский организм во время своей эмбриональной жизни уже испытывал обра-
щение фаз светового цикла. При таких особых обстоятельствах два цикла
с длинным днем никогда не вызывают изменения типа потомства, а восемь
циклов всегда вызывают его. Четыре и шесть циклов обладают промежуточ-
ной степенью эффективности. Следует учесть, что если бы первоначальное
воздействие режима короткого дня вызывало ритмические изменения эндо-
генной чувствительности, тесно связанные с фотопериодическим процессом,
то при несовпадении по фазе режима длинного дня с предыдущим суточ-
ным циклом эффективность режима длинного дня должна была бы умень-
шиться.
Точные условия опыта представлены на фиг. 3. Следует отметить, что
тлей выдерживают в условиях короткого дня в течение 14 дней, т. е. на
438
А. Л и с
протяжении всего развития личинки. Этого было бы вполне достаточно для
установления эндогенного ритма. Однако число циклов с длинным днем,
необходимое для изменения реакции, абсолютно не зависит от фазы таких
циклов. Это заставляет думать, что в данном случае эндогенный ритм не
играет никакой роли.
До недавнего времени термин «фотопериодизм» употреблялся просто
для обозначения зависимости той или иной биологической функции от дли-
тельности дня, а не от любого периодически действующего физического
фактора. Возможно, что в применении к членистоногим первое значение
по-прежнему наиболее правильно.
ФОТОПЕРИОДИЧЕСКИЕ РЕЦЕПТОРЫ У ЧЛЕНИСТОНОГИХ
Опыты, проведенные на Antheraea [16], колорадском жуке Lepti-
notarsa [25] и тле Megoura [22], показали, что прижигание глаз или нане-
сение на них светонепроницаемой краски очень незначительно препятст-
вует фотопериодической реакции или вообще ей не препятствует. Таким
образом, нет никаких оснований считать, что членистоногие воспринимают
Фиг. 4. Локализация фотопериодических рецепторов у тли
Megoura viciae.
А — схематическое изображение тли: 1 — глаз, 2— переднегрудь, 3 — брйш-
ко; Б — нервная система тли: 1 — мозг, 2 — подглоточный ганглий, 3 — груд-
ной ганглий; В и Г — различные случаи освещения. Кружки обозначают
области тела, стимулированные светом. Устойчивые положительные и отрица-
тельные реакции обозначены соответственно знаками + и —. Возможно, что
неоднозначная реакция, полученная при стимуляции области глаза (В), вы-
звана внутренним рассеянием света, достигающего чувствительных областей
мозга.
Проблема фотопериодизма у животных
439
свет посредством простых или сложных глаз. Где же находятся действи-
тельные фоторецепторы, до сих пор не установлено.
Для выяснения этого вопроса мы освещали ограниченные участки тела
тли Megoura, пользуясь следующим методом. Свет от экранированной элект-
рической лампочки (2 в) проходит через линзу и направляется через корот-
кую и очень тонкую металлическую трубку на исследуемый участок тела
тли, которую прикрепляют к трубке этим участком с помощью присасы-
вания или приклеивания. Таким образом, определенная область тела тли
может быть освещена в то время, когда остальная его часть находится
в темноте. Другими словами, исследуемый участок может быть помещен
в условия длинного дня, тогда как остальное тело подвергается воздействию
короткого дня. Насекомых нужно, конечно, каждый день прикреплять
к осветителю и снова отделять от него, и эту операцию повторяют в тече-
ние такого количества циклов, которое необходимо для возбуждения
реакции (6—8 циклов). Все остальное время насекомые находятся на расте-
ниях, которыми они питаются. Ограниченный период голодания не влияет
на характер фотопериодической реакции.
Нами установлено, что освещение головы и груди неизменно вызывает
реакцию, тогда как при освещении брюшка никакого эффекта не наблюдается
(фиг. 4). Так как эмбрионы находятся в брюшке, ясно, что свет должен
воздействовать на них непрямым путем, т. е. через посредство регулирую-
щей системы матери. Дальнейшие исследования с применением осветите-
лей еще меньшего диаметра показали, что наиболее чувствительная область
расположена в районе средней линии головы. Поскольку кутикула и эпи-
дермис в этой области не обладают какой-либо специализацией, вполне
вероятно, что истинные рецепторы следует искать в подлежащих тканях,
особенно в центральной нервной системе. Наиболее вероятно, что они распо-
ложены на дорзальной стороне мозга. Возможное сходство между фоторецеп-
цией у членистоногих и у позвоночных представляет определенный интерес.
Природа и точное расположение светочувствительных клеток пока
не установлены. Следует напомнить, что фоточувствительность иногда
обнаруживают в «обычных» мотонейронах, например в шестом брюшном
ганглии речного рака [26]. Возможно также, что к фоточувствительности
имеют отношение нейросекреторные клетки. Хорошо известно, что у насе-
комых процесс линьки вызывается нейросекреторными клетками дорзальной
стороны мозга и что переход в состояние диапаузы под действием светового
периода приводит к временному прекращению линьки и нейросекреторной
активности. Остается решить, действует ли свет на эти клетки прямо или
косвенно.
НЕПОВТОРЯЮЩЕЕСЯ ХРОНОМЕТРИРОВАНИЕ ИНТЕРВАЛОВ
Термин «хронометр интервалов» был применен Питтендраем для обо-
значения механизмов, управляющих временем периодических ежесуточ-
ных явлений, например ритмом вылета имаго дрозофил [27]. В основе
этого типа часов, как и других, обсуждавшихся Питтендраем, лежат про-
цессы, обладающие собственным внутренним ритмом. Однако несомненно
существует ряд других систем измерения времени, не связанных с эндо-
генными осцилляторами. В настоящее время не представляется необхо-
димым ограничивать применение этого чрезвычайно полезного общего тер-
мина случаями, которые рассматривал Питтендрай.
Я полагаю, что фотопериодическое измерение времени у членистоногих
основано на накоплении какого-то химического вещества или гормона на про-
440
А. Л и с
тяжении нескольких стимулирующих циклов чередования света и темноты.
При таком хронометрировании акт измерения времени повторяется в каж-
дом цикле в течение всего периода чувствительности. Тем не менее суще-
ствуют и другие механизмы, которые вступают в действие один раз в жизни
индивидуума или клона. Здесь вполне уместно упомянуть об одном таком
случае у Megoura.
Фиг. 5. Действие полового «хронометра интервалов» в типичном
молодом клоне тли Megoura viciae.
Центр кружков обозначает время появления личинок соответствующего по-
коления. Таким образом, шкала времени начинается с рождения у тли-осно-
вательницы первого потомства: эти особи образуют второе поколение клона
«первенцев». Первое время механизм изменения времени препятствует появле-
нию всех форм, за исключением партеногенетических самок (белые секторы).
Черные секторы обозначают долю особей в каждом поколении, которые, как
было определено впоследствии, производили яйцекладущих самок (левый кру-
жок) и самцов (правый кружок). Следует отметить, что появление половых
особей не зависит от поколения.
Если молодые клоны Megoura поместить в условия короткого дня,
те половые формы образуются только по прошествии определенного про-
межутка времени. Длительность этого промежутка для самцов и яйцекла-
дущих самок несколько различна [28].
Значение фактора времени можно продемонстрировать, отобрав два
ряда поколений с различным временем генерации, что достигается сохра-
нением только самых старых и самых молодых личинок в каждом поколе-
нии. Если такие партеногенетические клоны «первенцев» и «последышей»
постоянно содержатся в условиях короткого дня при 25°, первые яйцекла-
дущие самки часто появляются в обеих линиях почти в один и тот же день.
Проблема фотопериодизма у животных
441
Однако поколение родителей, производящих яйцекладущее потомство,
происходит соответственно из 5-го поколения «первенцев» и 3-го поколения
«последышей» (фиг. 5). Следовательно, в этом случае определяющим
является промежуток времени (начиная от рождения у тли-основатель-
ницы колонии первого потомства или от откладки яйца), а не порядковый
номер поколения.
Эта функция в значительной степени зависит от температуры; так,
при 11, 15 и 20° первые производящие яйцекладущее потомство особи
рождаются соответственно через 95, 40 и 25 дней. Другие внешние условия
значения не имеют. Таким образом, когда насекомое находится в условиях
длинного дня, «хронометр интервалов» действует нормально, но способ-
ность реагировать остается в скрытом состоянии до тех пор, пока она не
будет пробуждена воздействием короткого дня. Следовательно, это состоя-
ние непохоже на рефрактерную стадию у птиц, которая заканчивается лишь
при соответствующем воздействии противоположного светового периода [1].
Поскольку клоны, о которых шла речь, являются партеногенетиче-
скими, механизмы измерения времени, по-видимому, локализованы в цито-
плазме. Более того, «хронометр интервалов» действует независимо от поряд-
кового номера поколения; следовательно, опознавание промежутка вре-
мени не связано с делением клеток. Вполне возможно, что клеточный аппа-
рат, регистрирующий окончание каждого интервала времени, при митоти-
ческом делении клетки удваивается. Способ его действия неизвестен, но
конечным результатом должно быть восстановление фотопериодического
регулирующего механизма, который снова устанавливает один из альтер-
нативных путей развития. Именно таким образом регулируется полиморфизм
вида.
РЕЗЮМЕ
При фотопериодической регуляции роста семенников у птиц положи-
тельную роль в цикле свет — темнота играет, по-видимому, только свето-
вой период. Свет увеличивает синтез нейросекреторного вещества в гипота-
ламусе и способствует его выделению из нейрогипофиза. Действие после-
довательных световых периодов, даже коротких (например, 12 час), скла-
дывается, и в конечном итоге они становятся эффективными. Хотя у чле-
нистоногих следующие один за другим суточные циклы также производят
кумулятивное действие, в этом случае эффект может быть отнесен за счет
всего цикла свет — темнота, а не только световой стадии. Предполагается,
что у этой группы животных процесс измерения времени включает в себя
антагонистические реакции, протекающие во время светового и темнового
периодов. Эффектором является эндокринная система. При некоторых
условиях, отличающихся от нормальных (например, в постоянной тем-
ноте), связь между рецептором и эффектором, по-видимому, нарушается,
и наблюдаются беспорядочные изменения в активности эндокринного ком-
понента.
У тли Megoura область фоторецепции расположена непосредственно
в мозге. Показательно, что у птиц световой стимул, по крайней мере частич-
но, также проходит прямо в гипоталамус через вышележащие ткани.
По-видимому, фотопериодические механизмы у членистоногих не зави-
сят от 24-часового эндогенного ритма чувствительности к свету. Эти меха-
низмы рассматриваются здесь как один из многих видов «хронометров
интервалов», которые, несомненно, существуют в живых организмах.
Другой тип «хронометра интервалов», описанный у Megoura, препятствует
442
А. Л и с
появлению половых форм у молодых клонов. Он функционирует лишь один
раз в истории клона и отмеряет промежуток времени, не зависящий от
«возраста» (числа поколений) данного клона.
ЛИТЕРАТУРА
1. W о 1 f s о n A., The role of light and darkness in the regulation of spring migratio
and reproductive cycles in birds, p. 679—716. Photoperiodism and Related Phe-
nomena in Plants and Animals, ed. Withrow. Washington, A. A. A. S., 1959.
2. F a r n e r D. S., Photoperiodic control of annual gonadal cycles in birds, p. 717—
750. Photoperiodism and Related Phenomena in Plants and Animals, ed. Wit-
hrow. Washington, A. A. A. S., 1959.
3. О k s c h e A., Laws D. L., К a m e m о t о F. I., F a r n e r D. S., The hypo-
thalamo-hypophysial neurosecretory system of the white-crowned sparrow, Zonot-
richia leucophrys gambelii, Z. f. Zellforsch., 51, 1—42 (1959).
4. L e e s A. D., The Physiology of Diapause in Arthropods. Cambridge Monogr. in
Exp. Biology N 4 (1955).
5. Lee.s A. D., Photoperiodism in insects and mites, pp. 585—600. Photoperiodism
and Related Phenomena in Plants and Animals, ed. Withrow. Washington,
A. A. A. S., 1959.
6. Lees A. D., The role of photoperiod and temperature in the determination of par-
thenogenetic and sexual forms in the aphid Megoura viciae Buckton I. The influence
of these factors on apterous virginoparae and their progeny, J. Ins. Physiol..
3, 92—117 (1959).
7. Wolfson A., Role of light in the photoperiodic responses of migratory birds,
Science, 129, 1425—1426 (1959).
8. J’e n n e г С. E., E n g e 1 s W. L., The significance of the dark period in the pho-
toperiodic response of male juncos and whitethroated sparrows, Biol. Bull., 103,
345—355 (1952).
9. Kirkpatrick С. M., Leopold A. C., The role of darkness in sexual acti-
vity of the quail, Science, 116, 280—281 (1952).
10. Benoit J., A s s e n m a c h e r I., Role des photo-recepteurs superficiel et pro-
fond dans la gonadostimulation par la lumiere chez les oiseaux, J. Physiol- Paris,
45, 34—37 (1953).
11. В e n о i t J., W a 1 t e r F. X., Assenmacher I., Nouvelles recherches
relatives a Paction de lumieres de differentes longueurs d’onde sur la gonadostimu"
lation du canard’male impubere, Comt. Rend. Soc. Biol., 103, 1206—1211 (1950).
12. В e n о i t J., W a 1 t e r F. X., Assenmacher I., Contribution a I’etude
du reflexe ortohypophysaire gonadostimulant chez le canard soumis a des radiati-
ons lumineuses de diverses longueurs d’ondes, J. Physiol., 42, 537—541 (1950).
13. W i n g s t r a n d K- G., The structure and development of the avian pituitary.
Gleerup, Lund, 1951.
14. Lees A. D., Environmental factors controlling the evocation and termination of
diapause in the fruit tree red spider mite, Metatetranychus ulmi Koch (Acarina,
Tetranychidae), Ann. Appl. Biol., 40, 449—486 (1953)
15. L e e s A. D., The significance of the light and dark phases in the photoperiodic
control of diapause in Metatetranychus ulmi Koch., Ann. Appl. Biol., 40,
487—497 (1953).
16. 1 an a k a Y., Studies on hibernation with special reference to photoperiodicity
and breeding of the Chinese Tussar-silkworm III, J. Serie. Sci. Japan, 19,580—
590 (1950).
17. P a r i s О. H., Jenner С. E., Photoperiodic control’of diapause in the pitcher-
plant midge Metriocnemus knabi, p. 601—624. Photoperiodism and Related
Проблема фотопериодизма у животных
443
Phenomena in Plants and Animals, ed. Withrow. Washington, A. A. A. S., 1959.
18. D i с к s о n R. C., Factors governing the induction of diapause in the oriental
fruit moth, Ann Ent. Soc. Amer., 42, 511—537 (1949).
19. D a n i 1 у e v s к у A. S., G 1 i n у a n a у a Y. I., On the influence of the rhythm
of illumination and temperature on the origin of diapause in insects (In Russian),
Dokl. Akad. Nauk SSSR., 71, 963—966 (1950).
20. D a n i 1 у e v s к у A. S., G e i s p i t s K. F., The influence of the daily perio-
dicity of illumination on the seasonal rhythm of insects (In Russian), Dokl. Akad.
Nauk SSSR., 59, 337—340 (1948).
21. WayM. J., Hopkins B. A., The influence of photoperiod’and temperature on the
induction of diapause in Diataraxia oleracea L. (Lepidoptera). J. Exp. Biol., 27,
365—376 (1950).
22. L e e s A. D., unpublished work.
23. Bunning E., Die Physiologische Uhr. Berlin, Springer-Verlag, 1958.
24. Pittendrigh C. S., Bruce V. G., Daily rhythms as coupled oscillator systems
and their relation to thermoperiodism and photoperiodism, p. 475—505.
Photoperiodism and Related Phenomena in Plants and Animals, ed. Withrow.
Washington, A. A. A. S., 1959.
25. De W i 1 d e J., D u i n t j e r C. S., M о о к J., Physiology of diapause in the
adult Colorado beetle (Leptinotarsa decemlineata Say) — I. The photoperiod as
a controlling factor, J. Ins. Physiol., 3, 75—85 (1959).
26. Kennedy D., Electrical activity of a «primitive» photoreceptor, Ann. N. Y. Acad.
Sci., 74, 329—336 (1958).
27. Pittendrigh C. S., Perspectives in the study of biological clocks, p. 239—
268. Symposium on Perspectives in Marine Biology. Berkeley, Univ, of California
Press, 1958.
28. Lees A. D.,The role of photoperiod and temperature in the determination of part-
henogenetic and sexual forms in the aphid Megoura viciae Buckton-II. The opera-
tion of the «interval timer» in young clones, J. Ins. Physiol., 4, 154—175 (1960).
ОБСУЖДЕНИЕ ДОКЛАДА
Кеннеди. Я думаю, что эти превосходные результаты привлекают
внимание к важнейшей задаче определения и изучения рецепторов света,
принимающих участие в фотопериодической регуляции, т. е. затягивании
ритмов световыми циклами. Эта работа позволяет пополнить внушитель-
ный список возбудимых тканей, которые, хотя у них обычно и не подозре-
вают существования фоторецепторных функций, тем не менее обладают
чувствительностью к свету. В настоящее время к таким тканям относят
мышцы зрачка некоторых костистых рыб, гладкие мышцы артериол у мле-
копитающих, ганглионарные клетки и мышцу сердца у моллюсков и ней-
роны хвостового ганглия речного рака. В свете этих фактов следовало бы
осторожно относиться к предположению, что в фотопериодической регу-
ляции принимают участие только структуры, чувствительность которых
к свету в каждом данном случае очевидна.
к. ХАМНЕР
Фотопериодизм и циркадные ритмы
о
Многие из Вас участвовали в конференции по фотопериодизму, кото-
рая называлась «Фотопериодизм и родственные явления у растений и живот-
ных» [1] и проходила в Гэтлинбурге (штат Теннесси) в октябре 1957 г.
На этой конференции я представил доклад, в основу которого были поло-
жены исследования, убедившие меня в том, что фотопериодизм растений
находится под влиянием некоторого эндогенного ритма. До упомянутой
конференции я ознакомился с некоторыми работами по эндогенным ритмам,
но, прослушав ряд докладов, был поражен тем, что ученые, изучавшие
самые разнообразные реакции, получили огромный материал по ритмам,
не связанным с фотопериодизмом. Поскольку данные, которыми я распола-
гал, были частично получены моими учениками и ранее не были опубли-
кованы, а также и потому, что я считал себя неподготовленным к критиче-
скому обсуждению результатов в свете всей имевшейся информации, я по-
требовал возвращения из печати своей статьи. После трех дополнительных
лет работы я полагаю, что необходимо получить еще целый ряд новых
данных для того, чтобы можно было понять сложный механизм биологиче-
ских часов, связанных с фотопериодизмом растений. Однако мне кажется,
что я могу представить данные, определенно указывающие на участие
биологических часов в фотопериодической реакции.
Бюннинг [2] первым высказал предположение об участии в фотоперио-
дической реакции эндогенных ритмов. Основываясь на результатах про-
веденных им экспериментов с движением листьев, он постулировал, что
фотопериодические реакции растений вызваны тем же самым эндогенным
ритмом (биологическими часами), который вызывает эти движения. Он
предположил, что в растениях как длинного, так и короткого дня реак-
ция, выражающаяся в переходе к цветению (реакция цветообразования),
зависит от того, на какие фазы ритма приходится время, в течение которо-
го растения освещаются. Он ввел представление о светолюбивой (фото-
фильной) и темнолюбивой (скотофильной) фазах ритма и утверждал, что
растения и длинного, и короткого дня зацветают только в том случае,
если они освещались в течение надлежащей фазы ритма. Гипотеза Бюннинга
не была признана и в течение многих лет решительно отвергалась большин-
ством ученых. На Гэтлинбургской конференции в 1957 г. и позднее, в 1959 г.,
на Международном ботаническом конгрессе в Монреале некоторые участ-
ники вступали со мной и Бюннингом в ожесточенный спор. Сравнительно
недавно, в 1959 г., в обзоре Доренбоса и Велленсика [31 было сказано
следующее: «Хотя одно из достоинств теории Бюннинга состоит в том,
Фотопериодизм и циркадные ритмы
445
что она позволяет объяснить различие между растениями короткого дня
и растениями длинного дня, все же экспериментальные доказательства
справедливости этой теории еще недостаточны... На основании существую-
щих данных совершенно не очевидна необходимость прибегать к теории
эндогенного ритма для объяснения таких фотопериодических реакций,
как наступление цветения». Я думаю, что в добавление к работе Бюннинга
мои собственные исследования и работы моих учеников дают окончатель-
ное доказательство участия эндогенных ритмов в фотопериодической реак-
ции и что, следовательно, правильное истолкование этих явлений должна,
очевидно, дать теория, так или иначе близкая к теории Бюннинга.
ЗАВИСИМОСТЬ РИТМИЧЕСКИХ РЕАКЦИЙ
ОТ ДЛИТЕЛЬНОСТИ ЦИКЛА
20 лет назад Снайдер [4], работавший в то время со мной, получил
результаты, указывавшие на то, что наступление цветения у растений сои
сорта Билокси (Glycine max) представляет собой фотопериодическую реак-
цию, проявляющуюся наиболее интенсивно при 24- и 48-часовом циклах.
В то время эти результаты были нам не совсем понятны, и мы решили, что
они должны быть опубликованы без комментариев. Не приходится и гово-
рить, что Бюннинг обратил внимание на эти данные и счел их хорошим под-
тверждением своей теории эндогенных ритмов. Мы не возвращались к этому
вопросу приблизительно до 1953 г., когда два моих ученика — сначала
Бланей [5], а позднее Нэнда [6—9] — выполнили весьма обширные иссле-
дования по определению зависимости фотопериодической реакции сои
Билокси от длины светового и темнового периодов, а также от общей дли-
тельности цикла.
Соя Билокси относится к растениям короткого дня. В теплицах она
может расти, не зацветая, в условиях длинного дня. Если затем перейти
к режиму короткого дня, то уже через трое суток появляются первые
цветки; начиная с этого времени, число узлов с соцветиями оказывается
прямо пропорциональным числу коротких дней, и эта закономерность сохра-
няется примерно до 10-го дня. Поэтому мы поступали следующим образом:
растения различных вариантов получали по 7 циклов соответствующего
светового режима, а в качестве контроля использовался стандартный све-
товой режим, состоявший из 7 циклов короткого дня; в свою очередь,
каждый короткий день состоял из 8 час освещения высокой интенсивности,
за которыми следовали 16 час темноты. В контроле обычно насчитывалось
на 10 растений от 40 до 50 узлов с соцветиями; всякое отклонение от стан-
дартного светового режима приводило к снижению их числа. Это позволяло
сравнивать эффективность различных световых режимов. Результаты
типичного эксперимента такого рода приведены на фиг. 1. Нами было
выполнено множество таких опытов; результаты некоторых из них пока-
заны на фиг. 2. Совершенно ясно, что изучаемая реакция имеет ритмиче-
ский характер и зависит от длины используемого цикла. Описанные экспе-
рименты выполнялись в течение 4—5 лет, и, конечно, полученные кривые
при наложении не вполне совпадают. Тем не менее мы построили по всем
полученным данным усредненную кривую (фиг. 3); при построении этой
кривой мы предварительно вычерчивали кривые отдельных опытов в таком
масштабе, чтобы величина пика, соответствующего 24-часовому циклу
(8 час света+16 час темноты), была для всех опытов одинаковой. Из
приведенной усредненной кривой следует, что результаты всех наших
Длительность цикла t час
Длительность циклаf час
Фиг. 1. Типичный экспери-
мент с соей Билокси, в котором
изучается зависимость реакции
цветообразования от длитель-
ности цикла.
Каждый световой режим поддержи-
вался на протяжении 7 циклов.
В каждом цикле растения освеща-
лись по 8 час светом высокой интен-
сивности. Для получения циклов
различной длительности менялась-
длительность темнового периода.
В каждом режиме было испытано
по 10 растений.
Фиг. 2. Кривые реакции сои
Билокси для шести различ-
ных опытов.
Условия постановки опытов указа-
ны в подписи к фиг. 1. Усредненная
кривая, построенная по этим дан-
ным (см. фиг. 3), использовалась
в качестве контрольной в различных
описанных в тексте экспериментах.
• О.®
12 4 6 Число совпавших экспериментальных точек
Фиг. 3. Усредненная
кривая, построенная по
данным, приведенным на
фиг. 2.
Эта кривая в дальнейших
опытах использовалась в ка-
честве контрольной. При ее
построении все кривые фиг.^2
предварительно вычерчива-
лись в таком масштабе, чтобы
пики кривых, соответствую-
щие 24-часовому циклу, имели
одинаковую величину.
Длительность темнового периода, час
О 12 24 36 48 60 72
Длительность циклагчао
Фиг. 4. Реакция цветообра-
зования японской ипомеи и пе-
кинской сои в зависимости от
длительности цикла.
Растения Pharbitus находились на
экспериментальном световом режи-
ме в течение всего двух циклов.
В остальных случаях режим осве-
щения совпадал с тем, который
ук?зан в подписи к фиг. I. I — ипо-
мея; II — соя.
Фиг. 5. Реакция цветообра-
зования у Xanthium pensylvani-
сит в зависимости от длитель-
ности темнового периода при
двух значениях температуры
[Hl-
Реакция измерялась через две не-
дели после светового воздействия
по методу, описанному Линкольном
и др. [34]. Светлые кружки и
треугольники — результаты опыта
при 25е, черные — при 4°. Пунктир-
ное продолжение кривой для тем-
пературы 25° построено на основа-
нии других экспериментов, прово-
дившихся при нормальной темпера-
туре.
Фиг. 6. Реакция цветообра-
зования у Hyoscyamus niger
и Silene armeria при освеще-
нии светом высокой интенсив-
ности [12].
Освещение в каждом цикле длилось
8 час, а длительность темнового
периода менялась так же, как ука-
зано в подписи к фиг. 1. Этот свето-
вой режим поддерживался в тече-
ние 50 дней. I — Hyoscyamus niger;
II — Silent armeria.
448
К. Хамнер
экспериментов по выявлению зависимости ритма от длины цикла харак-
теризуются замечательным единообразием.
Полученные данные указывают на участие эндогенных ритмов в фото-
периодической реакции сои Билокси. Возникает вопрос: а как же обстоит
дело с фотопериодическими реакциями других растений? Мы располагаем
доказательством того, что другие растения короткого дня ведут себя сход-
ным образом. На фиг. 4 представлены неопубликованные данные [10]
для двух растений короткого дня: японской ипомеи голубой (Pharbitus nil)
и пекинской сои (Glycine max, пекинский сорт). Нетрудно заметить, что
характер реакций обоих растений очень похож на тот, который мы наблю-
дали у сои Билокси. Мы много работали с Xanthium, но здесь нам не уда-
лось получить столь же удовлетворительных результатов. Этому расте-
нию для зацветания требуется всего один короткий день. Даже если его
все время выращивать в теплице в условиях длинного дня и только один
раз поместить в темноту на время порядка 16 час, оно зацветает. Кривая,
изображенная на фиг. 5, представляет данные, полученные Рэйвеном [11];
мы тоже получали подобные результаты. Кроме того, имеется еще одна
довольно объемистая работа Финна [12], которую также можно рассматри-
вать как косвенное подтверждение участия эндогенного ритма в фотоперио-
дических реакциях Xanthium.
Получены данные, свидетельствующие об участии эндогенного ритма
и в фотопериодических реакциях растений длинного дня [12, 13]. Если мы
подвергнем растения длинного дня действию того же светового режима,
который использовался для растений короткого дня, т. е. будем освещать
их по 8 час на цикл и длину цикла увеличивать за счет темноты, то мы полу-
чим результаты, подобные тем, какие представлены на фиг. 6. В этом слу-
чае (в противоположность растениям короткого дня) цикл длиной 24 час
подавляет зацветание. Если длительность цикла больше или меньше 24 час,
то растения зацветают. Так, у белены (Hyoscyamus) при длительности циклов
от 36 до 42 час цветение наступает почти так же быстро, как и в условиях
непрерывного освещения. Быстрому зацветанию этих растений длинного
дня совсем не мешает то обстоятельство, что на каждые 8 час света они
около 30 час находятся в темноте. На Silene получена периодическая реак-
ция, сдвинутая по фазе относительно ритма сои на 12 час. Очевидно, дли-
тельность цикла для растений более существенна, чем количество падаю-
щего на них света. К сожалению, данные такого типа получать трудно —
не столько из-за трудностей, связанных с постановкой эксперимента,
сколько из-за того, что многие растения, получая в течение длинных циклов
сравнительно мало света, погибают прежде, чем может быть замечена
реакция.
ВЛИЯНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ
Одной из характерных особенностей эндогенных ритмов различных
организмов является их отчетливо выраженная независимость от темпе-
ратуры. Обычно температурные коэффициенты лежат в пределах 0,8—1,2.
В этом отношении долгое время оставалось непонятным поведение «меха-
низма определения времени», от которого зависит ход фотопериодических
реакций. Мы можем здесь сослаться на слова, взятые из работы Питтендрая
и Брюса [14]: «Результаты, полученные на Drosophila, поразительны в том
отношении, что в них содержится какая-то странная смесь зависимости
и независимости от температуры». То же можно сказать и по поводу фото-
периодических реакций. Мы еще в 1940 г. обнаружили [15], что при низкой
Фотопериодизм и циркадные ритмы 449
температуре Xanthiutn зацветает только через 8—10 коротких дней, хотя
при нормальной температуре этому растению для зацветания достаточно
одного короткого дня. Однако критическая длина дня, превышение кото-
рой приводит к тому, что цветение вообще не наступает, при низкой тем-
пературе меняется очень незначительно. Другими словами, количество
коротких дней, необходимых для зацветания, увеличивается, а качество
Длительность цикла, час
Фиг. 7. Влияние температуры, поддерживаемой во время темно-
вого периода, и длительности цикла на реакцию цветообразования
сои Билокси [8].
В качестве контрольной использована кривая, приведенная на фиг. 3. Усло-
вия наблюдения указаны в подписи к фиг. Ц1- 7 — контрольная кривая;
II — 23°; III — 10°.
(т. е. их продолжительность) почти не меняется. Отсюда следует, что реак-
ции, протекающие во время темнового периода и определяющие его кри-
тическую длину, имеют очень низкий температурный коэффициент. Недавно
мы еще раз исследовали это явление специально в связи с проблемой эндо-
генных ритмов и обнаружили примерно такие же температурные эффекты,
какие характерны и для других эндогенных ритмов, обсуждавшихся на этом
симпозиуме. Один из примеров влияния температуры на ритмическую
реакцию сои Билокси [8] представлен на фиг. 7. Мы видим, что изменение
температуры почти не влияет на характер ритма, но заметно сказывается
на величине пиков и вызывает сдвиг фаз. В результате при низкой темпе-
ратуре интенсивность цветения оказывается максимальной при циклах
длительностью 36 и 66 час (вместо 24 и 48).
ДЕЙСТВИЕ СВЕТОВЫХ ВОЗМУЩЕНИЙ
Другой характерной особенностью эндогенных ритмов многих орга-
низмов является чрезвычайно резкое действие одиночных световых раздра-
жений (световых возмущений) во время длинного темнового периода.
В 1938 г. мы обнаружили сильное действие на фотопериодическую реакцию
короткого светового возмущения [16]. В режиме короткого дня кратковре-
менное включение света во время темнового периода предотвращало цвете-
ние у растений короткого дня и вызывало цветение у растений длинного дня.
С тех пор как мы сообщили об этих предварительных результатах, было
выполнено множество экспериментов, в которых действие световых возму-
щений изучалось в связи с фотопериодическими явлениями [17—24].
Бюннинг в своем докладе рассмотрел некоторые из этих работ, добавив
к ним несколько своих собственных, выполненных недавно. Однако, несмотря
на все эти работы, специалисты по физиологии растений по-прежнему
450
К. Хамнер
считают, что влияние световых возмущений на эндогенный ритм окончатель-
но не доказано. Я полагаю, что опыты, к рассмотрению которых я сейчас
перейду (большей частью еще не опубликованные), дают возможность кри-
тически оценить действие световых возмущений на эндогенный ритм и био-
логические часы.
Снайдер [4] добавлял к циклам короткого дня дополнительно несколь-
ко часов, которые состояли из разного числа коротеньких циклов; в начале
каждого дополнительного цикла на короткое время включался свет, а затем
следовали 3 час темноты. Оказалось, что введение дополнительных циклов
непосредственно перед темновым периодом каждого цикла мало влияет
на фотопериодическую реакцию. Если же их вводить после темнового
Фиг. 8. Влияние на реакцию цветообразования световых возму-
щений, поступающих в разное время в течение циклов различной
длительности (А — 3) [9]. Длительность цикла указана на каждом
графике справа.
Интенсивность цветения в контрольном эксперименте (без световых возмуще-
ний) показана прерывистой горизонтальной линией. Ордината каждой точки —
интенсивность цветения при дайной длительности цикла, абсцисса — время
светового возмущения (отсчитывается от начала _темнового периода). Свет
интенсивностью 10 000 лк включался иа 30 мин. Контрольная кривая (см.
фиг. 3) нанесена точечным пунктиром.
периода, перед включением света, то это вызывает некоторую ритмическую
реакцию. Нэнда и Хамнер [6, 9] провели довольно широкое изучение
влияния световых возмущений на фотопериодическую реакцию сои Билокси.
На фиг. 8 результаты экспериментов представлены таким образом,
чтобы было видно, как действие световых возмущений зависит от времени,
на которое приходится это возмущение, и от длины цикла. Для сравнения
показана кривая реакции в отсутствие возмущений (см. фиг. 3). Ясно видна
связь между действием возмущения и временем цикла, на которое оно при-
ходится. Нетрудно заметить, что во всех случаях, когда световой сигнал
давался через 16 час от начала цикла (т. е. через 16 час от начала и 8 час
от конца основного светового периода), никакого цветения не наблюдалось.
Если сигнал поступал за 8 час до конца темнового периода, то это приводило
к заметному подавлению цветения, особенно в коротких циклах. Хорошо
выражен ритмический характер действия световых возмущений. В некото-
рых циклах световое возмущение может стимулировать цветение. Особенно
Фиг. 9. Схема и результаты экспериментов по определению влия-
ния световых возмущений на реакцию цветообразования [9].
Свет (10 000 лк) включался в указанный (момент ^темнового периода
на 30 мин. Каждый цикл повторялся 7 раз.
152
К. Хамнер
сильная стимуляция соответствует таким длинам цикла, при которых цвете-
ние подавляется (см. минимумы контрольной кривой на фиг. 3). Так, при
циклах длительностью 30—36 час (фиг. 8, Б, В) и 60 час (фиг. 8, Е) цветков
образуется мало, потому что длина этих циклов соответствует минимумам
контрольной кривой. Возмущения, приходящиеся на определенные моменты
времени этих циклов, заметно стимулируют цветение; вероятно, в этом
случае возмущения снимают ингибирующий эффект данной длины цикла.
Фиг. 10. Кривые, построенные по данным фиг. 9.
Контрольная кривая (пунктир) построена в соответствующем масштабе. Орди-
ната каждой точки — интенсивность цветения при данной длине цикла. Части
графика, показанные прерывистой линией, построены по ранее опубликованным
данным 15, б].
Некоторые кривые повторяют результаты, полученные ранее другими
авторами, но вместе с остальными они в значительной степени дополняют
прежние работы по изучению эффектов световых возмущений, приходящихся
на разное время в течение длинного темнового периода.
Таким образом, все эксперименты со световыми возмущениями сви-
детельствуют о влиянии световых сигналов на эндогенный ритм; в то же
время они очень мало говорят о самой природе такого влияния. Поэтому
были поставлены эксперименты другого типа, позволившие получить
более ясную картину эффектов светового возмущения. Применявшаяся
методика и полученные результаты видны из фиг. 9.
Нафиг. 10 результаты представлены так, чтобы была видна зависимость
действия однократных световых сигналов, поступающих через определенное
время после начала цикла, от длины цикла. Показана также стандартная
контрольная кривая, взятая в масштабе, соответствующем данным экспе-
риментам. Представленные кривые свидетельствуют о существовании пора-
зительного взаимодействия между основным 8-часовым световым периодом
и световым сигналом. Мы можем сказать, что общий характер ритмической
реакции, проявляющейся в цветении, в сильной степени определяется
основным световым периодом, поскольку все кривые сходны с контрольной
кривой. Однако световые возмущения приводят к существенным изменениям
кривой: под действием световых сигналов, поступающих перед концом
темнового периода, она сильно смещается — кривая на фиг. 10, Ж сдвинута
Фотопериодизм и циркадные ритмы
453
по фазе на 12 час, световые сигналы, поступающие в начале темнового перио-
да, заметно понижают высоту максимумов. Например, из фиг. 10, Б сле-
дует, что световые сигналы, поступающие через 8 час после конца главного
светового периода (т. е. через 16 час после начала цикла), почти полностью
подавляют цветение независимо от длительности темнового периода (или
от длины полного цикла).
На этом симпозиуме представлены многочисленные данные, говорящие
об участии эндогенных ритмов в множестве самых разнообразных биоло-
гических реакций; поэтому вполне естественно рассматривать приведенные
опыты как свидетельство участия биологических часов в фотопериодиче-
ских явлениях. С этой точки зрения, полезно еще раз рассмотреть все
известные факты, имеющие отношение к фотопериодизму, и попытаться
связать их с тем, что мы знаем о циркадных ритмах.
ГИПОТЕЗА БЮННИНГА
Здесь уместно вспомнить, что Бюннинг, изучавший эндогенные ритмы
около 30 лет, писал о фотопериодической реакции следующее [251: «Как
хорошо известно, регуляция эндогенных циклов световыми и темновыми
периодами делает растения короткого дня во второй половине дня темно-
любивыми, а растения длинного дня светолюбивыми. Однако теперь нам
понятно, что это не обусловлено отличием по фазе на 12 час основных циклов
этих двух типов растений».
Таким образом, Бюннинг утверждает, что во второй половине дня
растения короткого дня находятся в темнолюбивой (скотофильной) фазе
эндогенного ритма и что освещение их в этой фазе подавляет цветение;
растения длинного дня в то же самое время находятся в светолюбивой
(фотофильной) фазе, поэтому освещение их в этой фазе стимулирует цве-
тение. Насколько автору известно, сокращение длительности темнового
периода за счет освещения растений светом низкой интенсивности, а также
прерывание темнового периода световыми сигналами приводят у растений
длинного и короткого дня к прямо противоположным результатам. Однако
спектр действия в обоих случаях оказывается одинаковым [26, 27]. и это
дает возможность предположить, что различия между растениями длинного
и короткого дня объясняются существованием у этих растений разных
реакций на одни и те же внутренние ритмические колебания. На основа-
нии данных, полученных на сое Билокси, можно заключить, что свет воз-
буждает в растениях какие-то ритмические колебания с периодом около
24 час. В этом случае кратковременное освещение растений приблизительно
через 16 час после начала указанных колебаний должно вызывать замет-
ное торможение процессов, от которых зависит наступление цветения.
И действительно, как показано на фиг. 10, Б, световой сигнал, поступаю-
щий через 16 час после начала основного светового периода, почти полностью
подавляет цветение, независимо от длины цикла. Световые возмущения,
находящиеся в фазе с основным световым периодом (отстоящие от начала
периода на 24 час), не влияют на цветение. Правда, если сигналы достаточ-
но интенсивны и длительны (не менее 30 мин), они оказывают некоторый
стимулирующий эффект [10], но менее интенсивные или менее продолжи-
тельные сигналы вообще не дают никакого эффекта — ни в ту, ни в дру-
гую сторону. Следовательно, максимальное количество образовавшихся
цветков (соответствующее амплитуде «внутренних колебаний») определяется
основным световым периодом. Когда световые сигналы приходятся на
454
Л. Хамнер
вторую половину длинного темнового периода, они могут вызвать сдвиг
фазы, но амплитуда колебаний при этом не меняется (см. фиг. 10, Е—3).
Если бы мы на какое-то время приняли гипотезу Бюннинга, то мы
могли бы сказать, что ритм возбуждается началом основного светового
периода и приблизительно через 16 час находится в максимуме скотофиль-
ной фазы; тем самым мы объяснили бы результаты, представленные на
фиг. 10, Б. Но как тогда истолковать фиг. 10, Д— 3. из которых следует.
Фиг. 11. Реакция цветообразования у сои Билокси в зависимости
от длительности цикла!при различной длине основного светового
периода (указанной на кривых) [5].
что максимум цветения вызывают световые сигналы, поступающие прибли-
зительно за 16 час до конца темнового периода? Можно точно так же пред-
положить, что начало темнового периода переводит ритм в начало ското-
фильной фазы; действительно, это предположение согласуется со многими
фактами. Тогда следует ожидать, что световые сигналы, поступающие через
8 час после конца светового периода, будут препятствовать цветению, так
как с концом светового периода связано начало скотофильной фазы ритма.
То же относится к световым сигналам, поступающим за 8 час до начала
следующего светового периода, так как после светового возмущения ритм
опять должен начинаться со скотофильной фазы. В действительности дело
обстоит иначе. На фиг. 11 представлены результаты экспериментов Бланея
и Хамнера [5], в которых измерялась зависимость между интенсивностью
цветения и длительностью цикла для фотопериодов разной длины. Наиболее
интенсивное цветение наблюдалось всегда в условиях 24-часового цикла
независимо от длины фотопериода. Таким образом, применение гипотезы
Бюннинга в ряде случаев наталкивается на определенные затруднения.
СИСТЕМА СВЯЗАННЫХ ОСЦИЛЛЯТОРОВ
На основании многолетнего изучения эндогенных ритмов на Drosophila
и других организмах Питтендрай и Брюс [1] ввели понятие системы свя-
занных осцилляторов. «Осциллятор А может совершать самостоятельные
колебания; эти колебания могут быть затянуты внешним световым циклом;
в апериодических условиях фаза колебаний может смещаться под дей-
ствием отдельных световых сигналов; колебания осциллятора А не зависят
от температуры; осциллятор А связан с осциллятором В и определяет часто-
ту его колебаний. Ритмическое поведение осциллятора В наиболее непо-
средственно влияет на свободный ритм животного; в некотором смысле живот-
ное определяет фазу ритма («узнает» время) по колебаниям осциллятора В».
Фотопериодизм и циркадные ритмы
455
Такая система связанных осцилляторов обладает несколькими привлека-
тельными свойствами. Осциллятор А должен в течение длинного темнового
периода совершать свободные колебания, фаза которых зафиксирована
во время предыдущего светового периода; эти колебания не должны зависеть
от температуры. Из результатов Нэнды и Хамнера, представленных на фиг. 7,
следует, что период колебаний не зависит от температуры, так как расстоя-
ние между двумя пиками равно 24 час. Некоторая температурная зави-
симость проявляется в том, что ритм задержан и пики расходятся по фазе
на 12 час с пиками, полученными при нормальной температуре. Но как раз
в этом и сказывается работа интересующего нас осциллятора В, который
по предположению зависит от температуры.
В 1940 г. мною было показано [15], что для стимуляции цветения
у растений как длинного, так и короткого дня эти растения должны в период
индукции освещаться светом большой интенсивности. Энергия света,
необходимая для стимуляции цветения у каждого из этих двух типов расте-
ний, во много тысяч раз больше энергии эффективных световых сигналов.
Ранее было принято считать, что такая большая интенсивность света (во вре-
мя основного светового периода) требуется для фотосинтеза. Однако в 1942 г.
это толкование было поставлено мною под сомнение по ряду причин [28];
думаю, что вопрос и посейчас остается открытым.
Рассмотрим действие света высокой интенсивности специально в связи
с циркадными ритмами. Во-первых, свет высокой интенсивности, по-види-
мому, участвует не только в фотопериодической, но и в других ритмических
реакциях. Например, Гастингс и Суини [29], работавшие с водорослью
Gonyaulax, обнаружили, что под действием непрерывного яркого света
растение утрачивает ясно выраженный ритм; однако при постоянном сла-
бом освещении ритм сохраняется. Наблюдалось также, что ритмическое
движение листьев у растений, постепенно исчезающее в условиях постоян-
ной темноты или освещения слабым светом, может быть восстановлено
только действием света высокой интенсивности [30].
Имеются многочисленные данные, согласно которым эффективность
света большой интенсивности по отношению к фотопериодической реакции
возрастает в течение первых нескольких часов освещения [5, 10, 15, 31].
Сирохи и Хамнер [10] установили, что для сои Билокси максимальная
эффективность света большой интенсивности достигается при продол-
жительности световых периодов около 7 час. Однако не исключено, что
максимальная эффективность света еще большей интенсивности соответ-
ствует, например, 6-часовому освещению. Хамнер [15], а также Бланей
и Хамнер [5] увеличивали длительность светового периода, в течение кото-
рого соя Билокси освещалась светом высокой интенсивности; оказалось,
что при нормальной температуре увеличение светового периода сверх опре-
деленной величины приводит к тому, что независимо от длины темнового
периода растения не зацветают. В противоположность этому Снайдер [32]
обнаружил, что растение длинного дня Plantago под действием интенсив-
ного света зацветает независимо от длины цикла, если световой период пре-
вышает определенную величину. Таким образом, растения как длинного,
так и короткого дня нуждаются для перехода к цветению в периодической
стимуляции светом высокой интенсивности. Однако, если при этом свето-
вой период длится достаточно долго, то растения длинного дня будут цве-
сти, а растения короткого дня не будут — независимо от длины соответ-
ствующего темнового периода.
Описанный эффект сильно зависит от температуры. Манн [31] пока-
зал, что при стимуляции цветения у Xanthium светом высокой интенсив-
456
К. Хамнер
ности температурный коэффициент имеет сравнительно большую величину.
Как показали наши опыты на сое Билокси [6], низкая температура во время
световых периодов, в которых используется свет высокой интенсивности,
может существенно понизить амплитуду ритмической реакции цветообра-
зования.
Кроме того, мы обнаружили еще один температурный эффект, связан-
ный с использованием света высокой интенсивности [5]. Как уже было
сказано, при нормальной температуре световые периоды в 16 час и более
О 8 16 24- 32 40
Длительность фотопериода, час
Фиг. 12. Влияние температуры и длительности фотопериода
(основного светового периода) на реакцию цветообразования у сои
Билокси [5].
Каждому фотопериоду соответствует темновой период, при котором достига-
ется максимальная интенсивность цветения
препятствуют зацветанию сои Билокси, независимо от длины соответствую-
щего темнового периода. При низких температурах интенсивное освещение
в течение этих 16 час, по-видимому, оказывает оптимальное влияние на цве-
тение; даже при продолжительности световых периодов 32 час еще наблю-
дается цветение. На основе полученных нами, пока еще очень неполных,
данных можно нарисовать достаточно ясную общую картину (фиг. 12),
свидетельствующую о том, что при использовании света высокой интенсив-
ности температурный коэффициент реакции цветообразования весьма высок.
При низкой температуре длина наиболее эффективного светового периода
по крайней мере вдвое больше, чем при нормальной температуре; однако
и в том, и в другом случае максимально эффективные световые периоды
стимулируют цветение примерно в равной степени. Разница проявляется
только в том, что при низкой температуре световой период занимает больше
времени. Поскольку мы говорим об участии эндогенного ритма, мы можем
сказать, что понижение температуры заметно сдвигает фазу ритма. Мы также
понижали на небольшое время температуру в разные моменты на протяже-
нии цикла [5]. Оказалось, что независимо от времени, на которое при-
ходится такое воздействие, понижение температуры сдвигает фазу ритми-
ческой реакции цветообразования. Понижение температуры в течение
нескольких часов светового или темнового периода сдвигает пики цвето-
образования в стороны более продолжительных циклов.
Отсюда следует, что в данной ритмической реакции должны принимать
участие два компонента, один из которых зависит, а другой не зависит от
температуры. Если, как указано выше, допустить существование двух
отдельных осцилляторов, J4 и В, то напрашивается вывод, что действие
на растение света высокой интенсивности связано с возбуждением осцил-
лятора В, чувствительного к температурным изменениям. Одно из затруд-
нений, лежащих на пути подобных построений, состоит в том, что при осве-
Фотопериодизм и циркадные ритмы
457
щении растения светом высокой интенсивности одновременно должна воз-
буждаться система, которой определяется реакция растения на освещение
светом слабой интенсивности. В настоящий момент я могу лишь сказать,
что система связанных осцилляторов может принимать какое-то участие
в реакции цветообразования.
ВЫВОДЫ
Итак, изучение фотопериодической реакции растений ясно показывает,
что здесь мы имеем дело с эндогенным ритмом или ритмами, посредством
которых растения отсчитывают время; иными словами, восприятие длины
дня зависит от ритмов. По-видимому, один и тот же ритм используется
для отсчета времени в растениях как длинного, так и короткого дня, но
только оказывает противоположное воздействие. Например, можно пред-
ставить себе это так, что в некоторых условиях происходит затухание
колебаний одной и той же системы осцилляторов, но у растений короткого
дня оно приводит к подавлению цветения, а у растений длинного дня,
наоборот, стимулирует цветение.
Насколько известно автору, исследований, аналогичных описанным
выше экспериментам на сое Билокси и других растениях, на животных
выполнено не было. У нас нет оснований считать, что у животных фото-
периодические реакции существенно отличаются от реакций растений,
однако до проведения соответствующих экспериментов ничего определен-
ного сказать нельзя. Надо надеяться, что аппаратура, недавно разра-
ботанная нами для создания различных световых режимов [33], поможет
получить аналогичные экспериментальные данные на многих других орга-
низмах. Вполне возможно, что дальнейшие исследования в области фото-
периодизма позволят объяснить сложный механизм биологических часов.
ЛИТЕРАТУРА
1. International Symposium on Photoperiodism and Related Phenomena in Plants and
Animals, held at Gatlinburg, Tennessee, and sponsored by the U. S. National
Science Foundation. Publication № 55 for the American Association for the Advan-
cement of Science, 1959.
2. В iinn i ng E., Die endonome tagesrhythmik als grundlage der photoperiodischen
reaktion, Ber. deutsch. bot. Ges., 54, 590 (1936).
3. D о or e n b os J., W e 1 1 e n s i e k S. J,, Photoperiodic control of floral induction,
Ann. Rev. of Plant Phys., 10, 147—184 (1959).
4. S и у d e r W. E., Effect of light and temperature on floral initiation in Biloxi
soybean, Bot. Gaz., 102, 302—322 (1940).
5. Blaney L. T., H a m и e г К. C., Interrelations among the effects of temperature
photoperiod, and dark period on floral initiation of Biloxi soybean, Bot. Gaz.,
119, 10—24 (1957).
6. N a n d а К- K-, Hamner К- C., Studies on the nature of the endogenous
rhythm affecting photoperiodic response of Biloxi soybean, Bot. Gaz., 120,
14—25 (1958).
7. N a n d а К. K-, Hamner К- C., Photoperiodic cycles of different lengths in
relation to flowering in Biloxi soybean, Planta, 53, 45—52 (1959).
8. N a n d а К- K-, Hamner К- C., The effect of temperature, auxins, antiauxins
and some other chemicals on the endogenous rhythm affecting photoperiodic respon-
se of Biloxi soybean, Planta, 53, 53—68 (1959).
458
К. Хамнер
9. N a n d а К- К-, Н a m п е г К- С., Investigation on the effect of «light break»
on the nature of the endogenous rhythm affecting flowering in Biloxi soybean
Unpublished manuscript (1960).
10. Sir ohi G. S., H a m n e г К. C., Inhibitory effect of long days on the flowering
of soybean (Glycine max). Abstract Proc, of IX International Botanical Congress
Vol. 2, Univ, of Toronto Press (1959).
II. RavenK. A., Unpublished data.
12. F i n n J. C., An investigation of long- and short-day plants for an endodiurnal
rhythmicity in the flowering response. Ph. D. Thesis, Univ, of Calif, at Los
Angeles (1958).
13. F i n n J. С., H a m n e г К. C., An investigation of Hyoscyamus niger L., a long-
day plant, for an endodiurnal rhythmicity in the flowering response, Plant Phy-
siology, in press (1960).
14. Pittendrigh C. S., В r u с e V. G., Daily rhythms as coupled oscillator systems
and their relation to thermotropism and photoperiodism, p. 475—505. Photope-
riodism and Related Phenomena in Plants and Animals, ed. Withrow. Washington
A. A. A. S., 1959.
15. H a m и e г К- C., Interrelation of light and darkness in photoperiodic induction,
Bot. Gaz., 101, 658—687 (1940).
16. Hamner К. С., В onn er J., Photoperiodism in relation to hormones as fac-
tors in floral initiation and development, Bot. Gaz., 100, 388—431 (1938).
17. C ar r D. J., The photoperiodic behavior of short-day plants, Physiol. Plantarum,
5, 70—84 (1952).
18. C a r r D. J., A critical experiment on Biinning’s theory of photoperiodism, Zeit.
f. Naturf., 7b, 570—571 (1952).
19. Claes H., Lang A., Die bliitenbildung von Hyoscyamus niger in 48-stiindiger
lichtdunkel-rhythmen und in zyklen mit aufgeteilter lichtphasen, Zeit. f. Naturf.,
2b, 56 (1947).
20. Clauss H., R a u W., Ober die bliitenbildung von Hyoscyamus niger und Ara-
bidopsis thaliana in 72-stunden zyklen, Zeit. f. Botan, 44, 437—454 (1956).
21. Schwabe W. W., Photoperiodic cycles of lengths differing from 24-hours in
relation to the endogenous rhythm, Physiol. Plantarum, 8, 273—278 (1955).
22. Melchers G., Die beteiligung der endonomen tagesrhythmik am zustandekom-
men der photoperiodischen reaktion der kurztagpflanzen Kalanchoe blossfeldiana,
Zeit. f. Naturf. 11b, 544—548 (1956).
23 Biinsow R., Ober tages- und jahresrhytmische Anderungen der photoperiodischen
Lichtempfindlichkeit bei Kalanchoe blossfeldiana und urge Beziehungen zur endo-
genen Tagesrhythmik, Zeit. f. Botan., 41, 257 (1953).
24. Lang A., Physiology of flowering, Ann. Rev. of Plant Phys., 3, 265 (1952).
25. В ii n n i n g E., Physiological mechanism and biological importance of the endo-
genous diurnal periodicity in plants and animals, p. 507—535. Photoperiodism and
Related Phenomena in Plants and Animals, ed. Withrow. Washington,
A. A. A. S., 1959.
26. Parker M. W., Hendricks S. B., Borthwick H. A., Scully N. J.,
Action spectra for photoperiodic control of floral initiation in short-day plants,
Bot. Gas., 108, 1—26 (1946).
27. Parker M. W., Hendricks S. В., В о r t h w i с к H. A., Action spectrum
for photoperiodic control of floral initiation of the long-day plant Hyoscyamus
niger, Bot. Gaz., Ill, 242—252 (1950).
28. Hamner К. C., Hormones and photoperiodism. Cold Spring Harbor Symp
on Quant. Biol., tO, 49—60 (1942).
29. Hastings J., Sweeney В. M., in Photoperiodism and Related Phenomena
in Plants and Animals, p. 567, ed. Withrow. Washington, A. A. A. S., 1959.
Фотопериодизм и циркадные ритмы 459
30. S i г о h i G. S., Unpublished data.
31. Mann L. K-, Effect of some environmental factors on floral initiation in Xant-
hium, Bot. Gaz., 102, 339—356 (1940).
32. Snyder W. E., Mechanism of the photoperiodic response of Plantago lanceolaia
L. a long-day plant, Amer. J. Bot., 35, 520—525 (1948).
33. S i г о h i G. S., H a m и e г К. C., Automatic device for controlling lengths of
light and dark periods in cycles of any desired duration, Plant Phys., 35, 276—
278 (1960).
34. L i n с о 1 n R. G., Raven K- A., Hamner К. C., Certain factors influencing
the expression of the flowering stimulus in Xanthium. Part I. Translocation and
inhibition of the flowering stimulus, Bot. Gaz., 117, 193—206 (1956).
ОБСУЖДЕНИЕ ДОКЛАДА
С и p о x и. В своем выступлении Питтендрай поднял вопрос о том,
что подход Хамнера, работавшего с нестандартными циклами, имеет к ана-
лизу гипотезы Бюннинга меньшее отношение, чем подход Бюнзова в экспе-
риментах со световыми паузами.
. Прежде всего я хочу обратить внимание на следующее обстоятельство.
Питтендрай и Брюс в докладе, зачитанном на симпозиуме в Гэтлинбурге,
утверждают, что связанное с эндогенным ритмом влияние фотопериодизма
и термопериодизма на эффективный рост не может быть надлежащим образом
объяснено, пока мы, следуя гипотезе Бюннинга, будем считать, что эндо-
генные циклы составлены из отчетливо выраженных фотофильной и ското-
фильной фаз. Далее они утверждают, что наиболее плодотворные идеи
и предположения для постановки новых экспериментов следуют из более
широкой картины, составленной на основе обобщенной колебательной
модели. Они особенно подчеркивают роль явлений затягивания и с их
помощью пытаются объяснить связь фото- и термопериодических явлений
с эндогенным ритмом. Хотя в их работе ничего не говорится о реакции
цветообразования, ясно, что они представляют себе ограниченность гипо-
тезы Бюннинга. Я уже указывал на специфические трудности, возни-
кающие при объяснении на основании гипотезы Бюннинга некоторых резуль-
татов (см. стр. 428). На подобные трудности-указывает и Хамнер. Так что
с замечанием Питтендрая по поводу экспериментов со световыми паузами,
основанных на двух- и трехсуточной системе, нельзя согласиться.
Использование нестандартных циклов является одним из главных
средств, позволяющих выяснить чувствительность ритмов к затягивающим
воздействиям; об этом свидетельствуют многочисленные эксперименты,
описанные на нашем симпозиуме. Как следует из работы Хамнера, подобная
чувствительность играет важную роль в реакции цветообразования.
Далее я могу указать, что Хамнер применял и методику световых пауз.
Он приводит не только данные для двух и трехсуточных систем, но также
и дополнительные данные, касающиеся промежуточных систем.
Питтендрай. Очевидно, д-р Сирохи совершенно неверно понял
то сравнение, которое я сделал между подходами Бюнзова и Хамнера.
Достоинства подхода Бюнзова отражены в его собственном ответе (см.
стр. 428) на более ранний вопрос д-ра Сирохи, поэтому я не буду их вновь
повторять. Решающим моментом здесь является одновременный анализ
в одном и том же организме: а) фотопериодической реакции и б) какого-либо
известного циркадного ритма.
ЦИРКАДНЫЕ РИТМЫ ФИЗИОЛОГИЧЕСКИХ
ПРОЦЕССОВ У ЖИВОТНЫХ
Ж- ХАРКЕР
Влияние эндокринных и нервных
факторов на циркадные ритмы насекомых
о
Современные работы, связанные с проблемой циркадных ритмов, можно
распределить по трем группам. Первую группу составят биофизические
и биохимические исследования, посвященные регулирующим механизмам
на клеточном уровне; вторую — наблюдения за поведением организма
в целом и, наконец, третью — физиологические исследования, цель кото-
рых состоит в том, чтобы выяснить, каким образом клеточная ритмичность
находит свое проявление в поведении всего организма.
Благодаря этой последней группе исследований мы начинаем в какой-то
мере представлять себе, насколько сложными могут быть эндогенные регу-
лирующие системы. Так, например, среди изучаемых взаимосвязанных про-
цессов встретились такие, которые сами никакой ритмичностью не обла-
дают и тем не менее существенны для ритмичного функционирования опре-
деленных клеток. Это обстоятельство, по-видимому, заслуживает особого
внимания, так как исследователи, работающие в двух других направлениях,
могли его совсем не заметить.
Связь эндокринной системы с ритмом двигательной активности насе-
комых была впервые установлена на тараканах Periplaneta americana [1].
Тараканов, ранее находившихся в условиях непрерывного освещения
и не имевших заметно выраженного ритма двигательной активности, пара-
биотически соединяли с тараканами, активность которых, напротив, была
явно ритмичной. В каждой паре «аритмичный» нижний таракан имел
«ритмичного» верхнего партнера. Нижние тараканы могли двигаться,
а верхним отрезали конечности и тщательно следили, чтобы в течение
эксперимента они оставались совершенно неподвижными. После этого
двигательная активность нижних тараканов стала характеризоваться
Влияние эндокринных и нервных факторов
461
циркадным ритмом, различные фазы которого наступали в то же время,
в какое ранее наступали соответствующие фазы ритма верхних животных.
На основании этих результатов было постулировано, что ритм двигательной
активности зависит от присутствия в крови или тканях животного неко-
торого секрета.
В дальнейших исследованиях было показано, что источником секрета
служат клетки подглоточного ганглия [2]. Поиски группы нейросекретор-
ных клеток ганглия, ответственных за выработку этого секрета, велись
методом проб и ошибок — каждую группу клеток последовательно при-
жигали. Искомые клетки оказались расположенными в сравнительно
Фиг. 1 Поперечный разрез подглоточного ганглия, показываю-
щий положение нейросекреторных клеток (X), связанных с рит-
мом двигательной активности
доступном месте — на брюшной и частично на боковой поверхности ганглия
(фиг. 1).
Все эти результаты свидетельствуют только о том, что определенные
нейросекреторные клетки подглоточного ганглия играют важную роль
в поддержании ритма двигательной активности. Однако это еще не дает
оснований приписывать этим клеткам роль механизма, регулирующего ход
ритма. О выполнении этими клетками подобной роли свидетельствуют экс-
перименты, в которых подглоточный ганглий, взятый от ритмически актив-
ного животного, пересаживался в брюшко «аритмичного» декапитирован-
ного таракана. Через несколько дней активность животного с пересажен-
ным ганглием становилась ритмичной, и ритм по фазе соответствовал ритму
таракана-донора до пересадки ганглия. Отсюда уже совершенно ясно,
что даже полный разрыв нервных связей не мешает нейросекреторным
клеткам подглоточного ганглия секретировать с определенным циркад-
ным ритмом. Фактически нейросекреторные клетки ведут себя в этом отно-
шении как независимые одноклеточные организмы.
Открытие у клеток подглоточного ганглия способности поддерживать
свой секреторный ритм после пересадки в другой организм дало цен-
ный метод для дальнейших исследований. Теперь, чтобы узнать, в какое
время клетки ганглия выделяют секрет, ганглий пересаживают в организм
«аритмичного» животного и затем измеряют активность этого животного.
Зная время выделения секрета, можно различать влияние внешних и внут-
ренних факторов на момент наступления той или иной фазы ритма.
462
Ж- Харкер
Момент наступления активной фазы зависит, главным образом, от воз-
буждения, которое связано с переходом от света к темноте. Это возбуждение
воспринимается через посредство простых глазков. Пик двигательной
активности достигается с задержкой на 2—4 час, но сама секреция, видимо,
начинается сразу или через очень небольшой промежуток времени после
наступления темноты [3].
В нейросекреторном цикле можно различить несколько стадий — по
разным реакциям на переход от света к темноте [4]. Для того чтобы выя-
вить эти стадии, тараканов сначала в течение нескольких дней держат
в режиме чередования 12 час света и 12 час темноты, а затем в разное время
дня помещают в темноту, так что они испытывают возбуждение на разных
Наступление
темноты
24
12
Ф и г. 2. Диаграмма, показывающая временное соотношение ней-
росекреции, наступления темноты и двигательной активности
(Харкер, I960).
стадиях ритма двигательной активности. Цикл секреции подглоточного
ганглия, вырезанного из этих животных и пересаженного «аритмичным»
тараканам, оказывается различным в зависимости от времени возбуждения
таракана-донора. Можно различить три стадии нейросекреторного цикла.
На первой стадии секрет выделяется независимо от внешних воздействий,
на второй — только под влиянием перехода от света к темноте (стадия
«возможной» секреции); на третьей стадии даже такой переход не приводит
к выделению секрета (стадия «запрещенной» секреции). Порядок следова-
ния и продолжительность этих стадий показаны на фиг. 2.
Возбуждение может сдвинуть ритм активности по фазе., Некоторые
сведения о сдвиге фазы дает сравнение активностей животного с переса-
женным ганглием и животного, у которого ганглий после возбуждения
оставлен на прежнем месте (фиг. 3). В тех случаях, когда к моменту воз-
буждения секрет уже выделялся (фиг. 3, IV), сдвига фазы не наблюдается.
Если время возбуждения соответствует стадии «возможной» секреции
(фиг. 3, III), нейросекреторный цикл сдвигается по фазе и следующий период
секреции начинается через 24 час после возбуждения. Если же время воз-
Влияние эндокринных и нервных факторов
463
буждения соответствует стадии «запрещенной» секреции (фиг. 3, II, V),
то, как свидетельствуют эксперименты с пересадкой ганглия, немедленного*
сдвига фазы не происходит, но у тараканов, ганглий которых после возбу-
ждения был оставлен на месте с сохранением всех нормальных связей.
ВреМя,час
Ф и г. 3. Зависимость активности тараканов от времени наступления темноты
(Харкер, 1960)
1 — темнота наступает в «нормальное» время (контрольный эксперимент) II и III — темнота на
ступает на 7 и на 4 час раньше IV и V — темнота наступает на 4 и на 8 час позже 0 время
удаления ганглия с последующей пересадкой в другой организм О О активность животного
с пересаженным ганглием
следующий период секреции наступает на несколько часов раньше, этот
эффект связан с работой другой сложной системы, которая будет описана
ниже
По-видимому, почти для всех циркадных ритмов фаза ритма опреде-
ляется световым режимом среды, поэтому трудно сказать, существует ли
464
Ж- Харкер
в организме какое-нибудь взаимодействие между различными ритмами.
Оказалось, что на тараканах исследовать эту проблему очень удобно.
Неоднократно наблюдалось, что у тараканов, находившихся какое-то время
при пониженной температуре, очередная фаза ритма наступает с некоторой
задержкой и весь цикл сдвигается. В настоящее время существует метод,
•с помощью которого подглоточный ганглий удается охладить in situ, причем
В
Фиг. 4. Временное соотношение активности тараканов и ней-
росекреторного цикла после охлаждения подглоточного ганглия
на 4 час (Л), 8 час (Б) и 18 час (В) (Харкер, 1960).
остальные части тела остаются при комнатной температуре [5]. Экспе-
рименты с пересадкой ганглия показывают, что секреция нейросекретор-
ных клеток при пониженной температуре прекращается и цикл секреции
отстает на время, равное продолжительности охлаждения.
Если, однако, охлажденный подглоточный ганглий не пересаживать,
то такая задержка секреторного цикла не всегда явно выражена [6]. Напри-
мер, после 4-часового охлаждения следующий пик активности достигается
без задержки — в обычное время. По-видимому, ожидаемая задержка ком-
пенсируется сдвигом фазы, который обусловлен некоторым фактором,
не подверженным действию охлаждения и, вероятно, тоже обладающим цир-
кадным ритмом. Этот сдвиг наблюдается только тогда, когда охлаждение
ганглия длится 4—5 час. Если оно длится 5—17 час, сдвиг фазы отсутствует
(фиг. 4).
Пусть время действия упомянутого выше фактора до охлаждения
совпало с пиком активности. Тогда, как видно из фиг. 2, при задержке ней-
росекреторного цикла на любой промежуток времени (от 5 до 17 час) время
действия фактора после охлаждения, поскольку оно от охлаждения не
Влияние эндокринных и нервных факторов 465
меняется, будет относиться к стадии «запрещенной» секреции. При задерж-
ке цикла на любой другой промежуток времени время действия этого фак-
тора будет соответствовать либо стадии секреции, либо стадии «возможной»
секреции.
Изложенные результаты подтверждают предположение о существовании
еще по крайней мере одного фактора, имеющего свой ритм и взаимодей-
ствующего с нейросекреторным циклом; этот фактор может служить возбу-
дителем нейросекреции, и в этом отношении его действие аналогично насту-
плению темноты.
Фаза этого вторичного ритма может определяться либо непосредствен-
но естественными ритмами среды, либо через какой-то третий внутренний
ритм. Серией экспериментов было показано, что фаза вторичного ритма
определяется непосредственно наступлением темноты. Оказалось, что
если насекомому закрасить глаза и глазки на тот период, когда подглоточ-
ный ганглий находится в охлажденном состоянии, фаза вторичного ритма
меняется. Это изменение обнаруживается по сдвигу фазы нейросекретор-
ного цикла после нагревания клеток ганглия до комнатной температуры.
Например, если охлаждение занимает 4 час, нейросекреторный цикл задер-
живается тоже на 4 час, потому что активная фаза вторичного ритма
благодаря собственному сдвигу фазы будет теперь соответствовать стадии
«запрещенной» секреции нейросекреторного цикла и на его ход не по-
влияет.
Итак, существуют по крайней мере два ритма, чувствительных к свето-
вым изменениям и способных воздействовать друг на друга. Один из этих
ритмов, который был назван вторичным, в любое время дня с наступлением
темноты меняется сразу, тогда как другой — нейросекреторный цикл —
сдвигается по фазе только в тех случаях, когда время возбуждения отстоит
сравнительно недалеко от обычного времени проявления активности.
Понятно, что эти две взаимодействующие системы в нормальных
условиях полезны насекомому: они сдвигают пик активности при посте-
пенном изменении продолжительности дня, но препятствуют сдвигу ритма
по фазе под влиянием случайных изменений интенсивности света в необыч-
ное время, которые вполне возможны в естественных условиях (например,
интенсивность света резко уменьшается, когда несекомое заползает под
камень или в тень). Если вспомнить, что Drosophila после долгого пребы-
вания в темноте чувствительна к световым вспышкам продолжительностью
всего в 1/2000 сек [7], то станет ясно, что подобные изменения каждый раз
сдвигали бы фазу циркадных ритмов, что означало бы потерю какой бы то
ни было функциональной значимости этих ритмов.
Но двумя описанными механизмами дело не кончается. Система, регу-
лирующая ритм активности таракана, оказалась еще более сложной.
Если пересаженный подглоточный ганглий секретирует в фазе с соб-
ственным ганглием животного, ритм двигательной активности остается
прежним, но общая активность уменьшается. Если затем через 24 час у этого
животного вырезать собственный подглоточный ганглий, то, как показывает
его пересадка другому таракану, последний ганглий ритмом секреции уже
не обладает. Вместе с тем первый пересаженный ганглий продолжает оста-
ваться ритмически активным. По-видимому, под влиянием пересаженного
ганглия, секретирующего в фазе с собственным, секреция последнего инги-
бируется. Поскольку кровью с высокой концентрацией гормона омываются
оба ганглия, но ингибируется только тот, нервные связи которого сохра-
нились, создается впечатление, что, по всей вероятности, ингибирование
связано с какой-то системой вне ганглия.
466
Ж. Харкер
Если через 24 час после первой пересадки вырезать пересаженный
ганглий, нейросекреторный цикл собственного ганглия возобновляется,
но лишь примерно через 72 час после второй операции. При отсутствии изме-
нений в окружающих условиях возобновленный цикл совпадает по фазе
с циклом до ингибирования. Для возобновления цикла нервные связи
должны оставаться неповрежденными: при пересадке ингибированного
ганглия цикл не возобновляется. Возбуждение нейросекреторного цикла под
влиянием некоторого второго ритма было уже описано. Возможно, подобноеже
возбуждение служит причиной возобновления цикла. Вместе с тем одно-
кратного возбуждения со стороны второго ритма недостаточно, так как
до возобновления секреции проходит более 24 час. Может быть, какое-то
время требуется для синтеза некоторого вещества; возможно также, что
еще некоторое время продолжается ингибирование. Пожалуй, стоит обра-
тить внимание еще на одно обстоятельство: задержка цикла до возобновле-
ния составляет около 72 час, поэтому если пересаженный ганглий не выре-
зать и оставить в новом организме, то второй раз его секреция будет проте-
кать при обычной концентрации гормона — ведь секреция собственного
ганглия в это время ингибирована.
Предположение о том, что после ингибирования необходим синтез
какого-то вещества, ведет нас назад к результатам ранее упомянутых экспе-
риментов, в которых изучалось влияние на нейросекреторный цикл перехода
от света к темноте. Как было показано в этих экспериментах, при насту-
плении темноты во время стадии «запрещенной» секреции следующая сек-
реция начиналась на 4—6 час раньше. Если, однако, подглоточный ганглий
вырезали и пересаживали в другой организм не позднее чем через 8 час
после наступления темноты, следующий период секреции у пересаженного
ганглия наступал в обычное время. И снова напрашивается предположение,
что для выработки гормона, воздействующего на активность животного,
кроме секрета, выделяемого подглоточным ганглием, требуется еще какое-то
вещество.
Здесь необходимо описать связи подглоточного ганглия с другими эндо-
кринными органами (фиг. 5). От corpora al lata к подглоточному ганглию,
должно быть, идет очень тонкий нерв; он описан для очень немногих насе-
комых. Детальное исследование показывает, что хотя нервные волокна
тянутся к corpora aliata, нерв имеет соединение и с corpora cardiaca, и в этом
месте видны нейросекреторные гранулы (фиг. 6 и 7). Поскольку секреция
происходит на обоих концах нерва, интересно знать направление движения
секрета. На нескольких животных мне удалось перевязать нерв; такая
операция редко бывает удачной, так как добраться до нерва очень трудно:
он расположен под массивной мышцей в близком соседстве с глазами и моз-
гом. Диаметр нерва составляет 7—10 р, и единственное достаточно тонкое
волокно идет от трахеи. На фиг. 8 изображена фотография нерва, прижиз-
ненно окрашенного метиленовым синим. Нерв был в течение недели пере-
вязан, но на фотографии лигатура не видна, так как она скрыта скоплением
кровяных телец. Часть нерва между corpus cardiacurn и местом перевязки
сильно разбухла и заполнена массой нейросекреторного вещества. Между
перевязкой и подглоточным ганглием тоже имеется немного нейросекретор-
ного вещества; скорей всего, перевязка не могла полностью остановить
движение секрета по нерву. Вторая фотография того же препарата (фиг. 9)
получена после удаления кровяных телец (в процессе удаления конец
нерва был разрушен). Вряд ли могут остаться сомнения в том, что нейро-
секреция передается вдоль нерва от corpus cardiacum в подглоточный
ганглий.
Влияние эндокринных и нервных факторов
467
Мы провели серию экспериментов с целью выяснить, как повлияет
на циркадный ритм перерезание нерва между corpus allatum и подглоточным
ганглием, а также других нервов между corpora cardiaca, corpora allata
и возвратным нервом. Некоторые результаты оказались поразительными.
После перерезания нерва между corpus allatum и подглоточным ганглием
наступление темноты во время стадии «запрещенной» секреции больше
не приводило к преждевременному началу очередного периода активности.
Наблюдалось еще более поразительное явление: после перерезания нерва
Фиг 5 Corpora cardiaca, corpora allata и их нервные связи
1 — corpus allatum, 2 — corpus cardiacutn, 3 - нерв между corpus allatum и
подглоточным ганглием (увеличен), 4 — аорта 5 — головные доли, 6 — пище-
вод, 7 — возвратный нерв
ритм двигательной активности примерно в течение недели постепенно зату-
хал. Это наблюдалось даже тогда, когда животное подвергалось периодиче-
скому воздействию света и темноты. Отсюда можно заключить, что перере-
зание нерва выключает какую-то важную составную часть механизма,
определяющего ход ритма.
Ранее сообщалось, что удаление corpora allata, часто сопровождающееся
разрушением нерва, соединяющего corpora allata и подглоточный ганглий,
не нарушает хода ритма [3], но в экспериментах, из которых было сделано
такое заключение, ритм измерялся только в течение нескольких дней после
операции. Теперь мы знаем, что в тех случаях, когда одновременно разру-
шается нерв, ритм затухает примерно в течение недели.
Перерезка нерва снимает также ингибиторный эффект высокой кон-
центрации гормона на нейросекреторный цикл. Подобная же потеря инги-
биторного эффекта наблюдается после перерезки нервов между corpora
allata и возвратным нервом и после перерезки возвратного нерва.
Разрыв соединения между corpora cardiaca и подглоточным ганглием
не изменяет ингибиторного эффекта, но если такой разрыв совершается уже
после ингибирования, ритм подглоточного ганглия возобновляется через
значительно больший, чем обычно, промежуток времени — как правило,
не меньше 14 дней
Фиг. 6. Окрашенный метиленовым синим препарат, на котором видно
соединение corpus cardiacum (вверху) с нервом, соединяющим corpus
allatum и подглоточный ганглий (слева внизу)
Corpus allatum имеет вид черного тела.
Фиг. 7. Препарат corpus allatum и нерва, соединяющего corpus allatum и
подглоточный ганглий.
Нейросекреторное вещество видно у границ corpus allatum и в форме отдельных темных
образований — в нерве Прижизненное окрашивание метиленовым синим.
Фиг. 8. Препарат нерва, соединяющего corpus allatumu подглоточный ганглий,
после того как нерв был перевязан примерно в течение недели.
Темные массы слева представляют накопление нейросекреторного вещества между corpus
allatum и перевязкой. Большая темная масса справа от перевязки — кровяные тельца.
Препарат окрашен метиленовым синим.
Фиг. 9. Тот же препарат, что и на фиг. 8, после удаления кровяных телец.
Конец нерва разрушен в процессе удаления.
470
Ж. % а Р кер
Если все изложенные результаты собрать вместе, получается следую-
щая картина. Нейросекреторные клетки подглоточного ганглия способны
самостоятельно выделять секрет с некоторым циркадным ритмом, однако
для сохранения секрета, по-видимому, необходимо какое-то другое
вещество, которое ганглием не вырабатывается; оно поступает в ганглий
из corpora cardiaca через нерв, соединяющий corpora allata и подглоточный
ганглий. Между прочим, это первые сведения о какой-то функции corpora
cardiaca в нормальном состоянии внутри организма.
Способность пересаженного подглоточного ганглия поддерживать ритм
в течение нескольких дней может означать, что в ганглии всегда имеются
некоторые запасы секреторного вещества, поступающего из corpora cardiaca,
и его достаточно для поддержания ритма в течение некоторого времени;
только когда эти запасы истощатся, ритм затухает. Подобное взаимодей-
ствие двух секретов напоминает аналогичный случай, описанный несколь-
кими исследователями: оказалось, что для выработки гормона нужны секреты
как боковых, так и срединных нейросекреторных клеток мозга 18].
Ингибирование нейросекреторного цикла подглоточного ганглия
высокой концентрацией гормона, по-видимому, регулируется через соеди-
нение подглоточного ганглия с corpora allata и соединения обоих этих
органов с возвратным нервом. Эта регулировка скорей всего имеет нерв-
ный, а не гормональный характер. Поскольку после разрыва коннектив
между corpora cardiaca и возвратным нервом ритм активности возобновляет-
ся лишь через очень большой промежуток времени, можно предположить,
что возвратный нерв каким-то образом воздействует на corpora cardiaca,
но эта сторона картины еще далеко не ясна.
Функция ингибиторной системы у нормального таракана сначала
кажется непонятной, так как маловероятно, чтобы концентрация гормона
когда-либо стала достаточно высокой для введения этой системы в действие.
Однако потребность в действии ингибиторной системы может возникнуть
во время линьки. Сразу после линьки количество секрета в нерве, соеди-
няющем corpus allatum и подглоточный ганглий, по-видимому, довольно
мало, и в это время животное перестает обладать измеряемым ритмом.
Возможно, до линьки количество секрета из corpora cardiaca возрастает,
и это приводит к усилению секреции подглоточного ганглия (ниже будут
приведены некоторые экспериментальные доказательства последнего эф-
фекта). Если все это вызовет ингибирование, то активность животного
в течение нескольких дней не будет ритмичной — даже после понижения
концентрации гормона. Вероятно, низкая активность выгодна животному
в период затвердевания кутикулы.
К каким гибельным для таракана последствиям привела бы аритмич-
ность секреторной активности подглоточного ганглия, показывают резуль-
таты экспериментов, в которых секреция пересаженного ганглия отличалась
по фазе на 12 час от секреции собственного ганглия животного [9]. Прак-
тически во всех таких случаях у тараканов развивались опухоли в области
средней кишки (желудка). Образующиеся опухоли могут быть трансплан-
тированы и дают метастазы. При достаточно высокой концентрации гормона
подглоточного ганглия опухоли могут появиться в любое время суток,
но в ненормальное для секреции время для развития опухолей достаточны
даже очень небольшие концентрации. По-видимому, этот эффект связан
с ритмом чувствительности клеток кишечника. Этот ритм несколько необы-
чен в том отношении, что новые световые условия почти не меняют его
фазы. После того как опухоли образовались, их рост до некоторой степени
контролируется в том случае, если время секреции гормона точно отрегу-
Влияние эндокринных и нервных факторов
471
лировано. Здесь опять выявляется важность ритмических функций, а также
близкая связь различных ритмов.
Недавно были проведены исследования, в которых световой режим
подбирался таким, чтобы темнота наступала каждый раз после окончания
активной стадии таракана, т. е. во время стадии «возможной» секреции.
Как уже было сказано, на этой стадии наступление темноты сдвигает фазу
ритма. В таких условиях секреция подглоточного ганглия шла почти непре-
рывно. Примерно через 6 дней нейросекреторный цикл нарушался, а в кишеч-
нике наблюдались большие патологические изменения; следы изменений
сохранялись и после того, как животные снова возвращались в нормальные
условия и находились в них в течение трех месяцев.
Шаррер [10] обнаружил появление опухоли в кишечнике таракана
Leucopheae после того, как был перерезан возвратный нерв. Мною было
обнаружено, что, после того как возвратный нерв перерезан, нерв, соеди-
няющий corpus allatum и подглоточный ганглий, сплошь заполняется нейро-
секреторным веществом, а по истечении нескольких дней секреция ганглия
наступает в неправильное время (как показывают опыты с пересадкой
ганглия). Можно предположить, что развитие опухоли после перерезки
возвратного нерва также связано с временем секреторной активности под-
глоточного ганглия.
Результаты, полученные другими исследователями, изучающими эндо-
кринную регуляцию циркадных ритмов насекомых, приводят к предпо-
ложению о возможном многообразии механизмов, определяющих ход
ритмов. Пожалуй, этого и следовало ожидать.
Клюг [11] заметил циркадный ритм изменений объема ядра в клетках
corpora allata жука Carabas nemoralis и связал его с ритмом двигательной
активности. Наибольшего объема ядро достигает вскоре после пика дви-
гательной активности. Возможно, в этом явлении определенную роль играет
нерв, соединяющий corpora allata и подглоточный ганглий, как это было
описано выше. Клюг предположил, что corpora allata регулирует ритм
двигательной активности, но это предположение пока недостаточно обосно-
вано, так как циркадному ритму следуют многие клеточные изменения.
Было показано, что ритм двигательной активности кузнечика Romalea
после удаления corpus allatum сохраняется [12]; такой же эффект наблю-
дался по крайней мере в течение нескольких дней у Periplaneta. Ритм кузне-
чика после удаления подглоточного ганглия прекращается и совсем не
возобновляется после возвращения Ганглия в организм.
В связи с общей проблемой циркадных ритмов насекомых эти резуль-
таты интересны тем, что свидетельствуют о способности по крайней мере
некоторых отдельных клеток самостоятельно поддерживать циркадный
ритм и о том, что тем не менее активность этих клеток находится под конт-
ролем со стороны других систем организма. Присутствие ib организме
по крайней мере двух самостоятельных механизмов отсчета времени, спо-
собных воздействовать друг на друга, указывает направление, в котором
следует искать сведения об эволюции внутренних часов. В ходе эволюции
нервная система специализировалась таким образом, что в разных частях
организма разные комплексы могут выполнять различные функции, хотя
механизм проведения возбуждения по нерву везде остался одним и тем же.
Точно так же мы можем обнаружить, что основной механизм отсчета вре-
мени у всех животных одинаков, но различные ткани или органы специа-
лизированы и играют разную роль в комплексе процессов, в конечном
счете определяющих ритм всего организма, например ритм двигательной
активности.
472
Ж. Харкер
ЛИТЕРАТУРА
1. Н а г к е г J. Е., Diurnal rhythms in Periplaneta americana L., Nature, Lond.,
173, -689, 1954.
2. Harker J.E., Control of diurnal rhythms of activity in Periplaneta americana L.,
Nature, Lond., 175, 773 (1955).
3. Harker J. E., Factors controlling the diurnal rhythm of activity in Periplaneta
americana L, J. Exp. Biol., 33, 224 (1956).
4. H a г к e r J. E., The effect of perturbations in the environmental cycle on the
diurnal rhythm of activity of Periplaneta americana L, J. Exp. Biol., 37, 154 (1960).
5. Brown R. H. J., H arker J. E., A method of controlling the temperature
of insect neurosecretory cells in situ, Nature, Lond., 185, 392 (1960).
6. Harker J. E., Internal factors controlling the suboesophageal ganglion neuro-
secretory cycle in Periplaneta americana L, J. Exp. Biol., 37, 164 (1960).
7. Pittendrigh C. S., Bruce V. G., Daily rhythms as coupled oscillator
systems and their relation to thermoperiodism and photoperiodism, p. 475—505,
Photoperiodism and Related Phenomena in Plants and Animals, ed. Withrow,
Washington, A. A. A. S., 1959.
8. Van Der К 1 о о t W. G., Neurosecretion in insects, Ann. Rev. Ent., 5, 35 (1960).
9. Harker J. E., Experimental production of midgut tumours in Periplaneta ame-
ricana L, J. Exp. Biol., 35, 251 (1958).
10. S c h a r r e r B., Experimental tumours after nerve section in an insect, Proc.
Soc. Exp. Biol. N. Y., 60, 184 (1945).
11. Klug H., Histo-physiologische Untersuchungen uber die Aktivitatsperiodik bei
Carabiden, Wiss, Z. Humbolt-Univ., Berlin, 8, 450 (1958).
12. F i n g e r m a n M., L a g о A. D., L о w e M. E., Rhythms of locomotor activity
and oxygen consumption of the grasshopper Romalea microptera, Amer. Mid. Nat.,
59, 67 (1958).
ОБСУЖДЕНИЕ ДОКЛАДА
Калмус. Описанное д-ром Харкер развитие опухолей при ненормаль-
ном взаимодействии двух и более компонентов систем, обладающих внут-
ренним суточным ритмом,— это, возможно, одно из проявлений глубокого
воздействия, которое может оказывать сдвиг по фазе между такими компо-
нентами на ход морфогенеза. Много лет назад я показал, что у насекомых
имеется высокая корреляция между такими различными признаками, как
расположение глаз и глазков, с одной стороны, и расположение крыльев —
с другой. Целые группы, семейства, роды, виды, отдельные особи (фазы
и касты) и даже половинки мозаиков либо одновременно имеют глазки
и крылья, либо не имеют ни тех, ни других. Очень редко (исключение соста-
вляют жуки) эти структуры встречаются в отдельности. В настоящее время
поступают сообщения о том, что циркадные ритмы могут, например, конт-
ролировать переход от крылатых тлей, не имеющих простых глазков,
к формам, имеющим и крылья, и глазки. Таким образом, может быть, полез-
но предпринять поиски других морфогенетических комплексов, которые
могли бы регулироваться компонентами с циркадным ритмом.
Лис. Пример с тлями не совсем удачен. Я уже обсуждал вопрос
о фотопериодическом механизме чередования полового и партеногенетиче-
ского размножения тлей. Появление крылатых и бескрылых форм тлей
определяется различными внешними факторами, в частности перенаселен-
ностью. Но, насколько известно, непосредственной связи циркадных рит-
мов с определением какой-либо из этих форм отметить нельзя»
Влияние эндокринных и нервных факторов
473
Г астинг с. Правильно ли я понял описанный д-ром Харкер экс-
перимент? Подглоточный ганглий охлаждают в течение 4 час in situ, а затем
пересаживают декапитированному таракану для определения фазы ритма,
и эта фаза определяется по поведению животного в постоянной темноте.
Харкер. Нет, при непрерывном освещении.
Г астинг с. Понимаю. Тогда такой вопрос. Если Вы проводите
опыт с охлаждением на разных стадиях цикла первого животного, всегда ли
у Вас сдвиг фазы равен 4 час или наблюдается какая-нибудь разница?
Харкер. Нет, сдвиг фазы всегда составляет 4 час. Возможно, этот
результат свидетельствует против гипотезы, по которой ритм зависит
от какого-то релаксационного осциллятора.
К л а у д с л и-Т о м п с о н. Я думаю, что описанная д-ром Харкер
функция глазков как воспринимающих рецепторов по отношению к свето-
вым синхронизаторам среды означает, что в противоположность сложным
глазам насекомых глазки не адаптируются к изменению интенсивности света.
Однако мы наблюдали, что у мокриц сложные глаза служат единственными
фоторецепторами, а чувствительность кожи к свету у них отсутствует;
у них имеется несколько омматидиев, из которых очень немногие могут
участвовать в процессе зрения. Сложные глаза ответственны за синхро-
низацию суточного ритма активности мокриц и не обладают адаптацией
к изменениям интенсивности света.
Д-р Харкер выполнила качественные эксперименты, которые показы-
вают, чем объясняются наблюдаемые эффекты. Я полагаю, что статистиче-
ская оценка была бы сейчас совершенно неуместна.
Питтендрай. Д-р Клаудсли-Томпсон вначале сослался на мое
предостережение против того, чтобы считать общим правилом участие
глазков в затягивании ритма таракана внешними световыми циклами.
Д-р Робертс из Принстонского университета не обнаружил подобной функ-
ции глазков у другого таракана — Leucopheae. У мутанта Drosophila mela-
nogaster, не имеющего глазков, который был мною исследован в проведен-
ных 5 лет назад, но неопубликованных экспериментах, ритм нормально
затягивался световым циклом.
Второе замечание д-ра Клаудсли-Томпсона относится к другим моим
сомнениям, связанным с разбросом и воспроизводимостью результатов,
на основании которых д-р Харкер делает заключение о двухосциллятор ном
характере часов, лежащих в основе ритма двигательной активности тара-
кана. Те, кто прочитает мой доклад, оценят, насколько приятен такой вывод
для меня лично. Я высказал свои сомнения потому, что на своем собствен-
ном опыте убедился в большом разбросе данных по ритмам у некоторых
животных; в некоторых случаях (например, для ритмов белки-летяги и хомя-
ка) выбранный параметр (скажем, момент начала активности) варьирует
поразительно мало, а критерий, с помощью которого определяется момент
начала активности, достаточно ясен. В других случаях — сюда относятся
и тараканы — данные обычно далеко не так постоянны; поэтому любой
вывод, сделанный на их основе, становится существенно более убедитель-
ным, если сопровождается данными о причинах и степени наблюдаемых
различий.
Я не согласен с замечанием д-ра Клаудсли-Томпсона, что статистич’е-
ская оценка неуместна при обсуждении «качественных экспериментов,
которые показывают, чем объясняются наблюдаемые эффекты». Никакие
эксперименты никогда не показывают, чем объясняется эффект. Объяс-
нение лежит на ответственности наблюдателя и есть то, в чем он имеет
определенную степень уверенности. Его можно дать после оценки данных
474
Ж. Харкер
(существенно статистических по своей природе), позволяющей утвер-
ждать, что зависимость наблюдаемого эффекта от конкретной «причины»,
в которой наблюдатель заинтересован, превышает зависимость от многих
других переменных, влияющих на результаты эксперимента. Весьма риско-
ванно основывать свою уверенность на результатах одного или даже несколь-
ких экспериментов. Для такой уверенности требуется знать все источники
разброса и его относительную величину в каждом случае. Для многих
физических систем предыдущий опыт оправдывает выводы, сделанные
на основании однократно повторенного эксперимента. В биологии такие
случаи бывают редко и наверняка отсутствуют в области ритмов. Тем не
менее м-с Харкер уверяет нас, что воспроизводимость ее наблюдений
составляет 100%. Я думаю, что замечание д-ра Томпсона не делает анализ
м-с Харкер более правильным, чем и был вызван мой ответ.
Харкер. В наших опытах разброс во времени наступления актив-
ности таракана, обладающего определенным ритмом, никогда не был порядка
4 час, не говоря уже о 8 или 17 час (составляющих продолжительность
охлаждения). Если бы разброс мог достигать столь большой величины,
мы совсем не смогли бы распознать циркадный ритм животного.
Ф. ХАЛБЕРГ
Временная координация
физиологических функций
о
I. СОГЛАСОВАНИЕ ВО ВРЕМЕНИ
А. ЦИРКАДНАЯ СИНХРОНИЗАЦИЯ
Организм, как и отдельные его части, обычно не функционирует с по-
стоянной скоростью на протяжении суток; во многих случаях интервалы
между происходящими в нем какими-то отдельными (дискретными) изме-
нениями самого различного характера не являются чисто случайными.
Гораздо чаще, чем это можно было бы ожидать, исходя из классической
физиологии, мы сталкиваемся с циркадным [1—3] повторением одной
и той же последовательности событий. Такая организация во времени,
по-видимому, выражает генетическое приспособление обмена веществ
организма к условиям жизни на Земле (библиографию см. [1]).
В отличие от строго периодических явлений циркадное поведение
организма характеризуется значительной пластичностью; сходные собы-
тия повторяются в одинаковой последовательности через примерно равные
промежутки времени; повторения идентичных изменений с жестко фикси-
рованным периодом не наблюдается.
Циркадная временная структура, выработанная у большинства видов
в ходе приспособления к окружающим условиям, служит одной из харак-
теристик функциональной организации данного организма; в общих чертах
она напоминает синхронизацию в физическом понимании этого слова,
т. е. синхронизацию по частоте (но не как совпадение во времени каких-либо
максимумов или минимумов).
Циркадную синхронизацию с разностью фаз (положительной, нуле-
вой, отрицательной; см. фиг. 1—3) нельзя приравнивать к синхронности:
все физиологические явления протекают во времени неодинаково. Это поло-
жение следует особо подчеркнуть. Описываемый ниже случай является
всего лишь одним из многочисленных примеров, которые можно было бы
привести для иллюстрации; поэтому некоторые конкретные сведения о нем
намеренно опущены. Исследовались возможные циркадные изменения
в активности двух функций. Объектом исследования были, с одной сто-
роны, крысы, забитые в период наиболее высокой двигательной активности,
а с другой — крысы из той же партии, забитые в период низкой активности.
При сравнении обнаружились значительные различия для одной функцио-
нальной активности, но для другой их найдено не было. На этом основании
было сделано предположение, что первая функция характеризуется неко-
торым ритмом, а вторая — нет (при молчаливом предположении, что цир-
кадные максимумы и минимумы для разных функций должны обязательно
476
Ф. X а л б е р г
совпадать; ср. фиг. 2 и 3). Когда затем стали исследовать крыс, забитых
через более короткие промежутки времени, оказалось, что обе функции
являются периодическими, но отличаются по фазе.
Б. ВНУТРЕННЕЕ И ВНЕШНЕЕ СОГЛАСОВАНИЕ ВО ВРЕМЕНИ
Временная координация между физиологическими функциями сама
по себе может быть описана относительным расположением циркадных
ритмов во времени. Эту сторону функциональной временной организации
От случайности к некоторой закономерности
в нормальных пределах pX-m)bo(X+njJ
Измеряемые параметры
• биохимические
Фиг. 1. Схема, иллюстрирующая проблемы временной координации
физиологических функций [1].
См. текст, разд. I, фиг. 2 и 3.
называют внутренним согласованием. Его количественную характеристику
(на фиг. 1 она обозначена /г) можно представить как сдвиг по времени
между максимумами или минимумами, относящимися к разным физиоло-
гическим переменным. Такого рода внутреннее временное согласование
двух и более функций может быть описано без указания на возможные
Световой режим
6 18 6 18
Время суток
Б
В
Фиг. 2. Синхронизация частот и фазовые соотношения циркадных ритмов
различных функций на разных уровнях организации.
Неполовозрелая мышь. Данные выражены в процентах к их средней величине за 24 час. А — ор-
ганизм как целое (активность, температура внутренней среды и состав крови — число эозинофи-
лов, содержание кортикостероидов); Б — различные органы и ткани (эпидермис кожи, паренхима
печени, паренхима и строма надпочечников); В — различные функции одного органа (печень)
(«образование» фосфолипидов, РНК. ДНК; содержание гликогена, митозы, вес органа).
478
Ф. X а л б е р г
причинные связи между этими функциями (см. фиг. 2, В — промежуток
времени между максимумом включения Р32 в ДНК печени мыши и максиму-
мом митозов в печеночных клетках; 8 час). При этом нужно отметить
желательность статистической оценки разброса tt.
Связь во времени между циркадными ритмами и факторами среды
характеризует временную адаптацию, которую можно назвать внешним
временным согласованием ритмов. Его количественная характеристика
на фиг. 1 обозначена через te. Внешнее согласование удобно связать с общим
отсчетом времени, который ведется с помощью обычных часов. Ход какого-ли-
бо ритма по этим часам (определяемый, например, по времени наступления
максимума) получает физиологический смысл только в том случае, если
по отношению к этим же часам установлено изменение во времени основ-
ного фактора среды, определяющего te (см. фиг. 2, В — максимум митозов
в печеночных клетках наблюдается примерно в 12 час. при продолжитель-
ности светового дня с 6 час. до 18 час.).
В. «НУЖНЫЙ МОМЕНТ ВРЕМЕНИ»
Под физиологической регуляцией понимают обычно совокупность всех
процессов в организме, обеспечивающих доставку «нужного количества»
«нужных веществ» в «нужное место». Если учитывать и te, то к этим
параметрам добавляется еще один — «нужный момент времени» (см. фиг. 1).
Вопросы «что»?, «сколько?» и «где?», которые соответственно входят
в сферу исследований биохимиков, фармакологов и морфологов и отно-
сятся к нужному соединению, нужной дозе и тому органу, куда это соеди-
нение нужно доставить,— все эти вопросы среди прочих имеют большое
Фиг. 3. Внешнее и внутреннее согласование во времени циркадных ритмов измене-
ния чувствительности к эндотоксину Е. coli (/), оубаину (//) и аудиогенным отклоне-
ниям (///).
Цифры означают чувствительность в процентах к среднему суточному значению. См. также текст,
разд. I, В и фиг. 1.
Временная координация физиологических функций
479
значение и при физиологических исследованиях. Но для того чтобы выяс-
нить, каким образом осуществляются самые разные виды регуляции и как
они связаны один с другим и с окружающей средой, физиолог обязательно
должен знать расположение всех видов регуляции во времени.
Поэтому, помимо различных сведений из морфологии, биофизики,
биохимии, фармакологии и других наук (см. фиг. 1), для физиолога рав-
ным образом необходимо знать законы, управляющие выбором нужного
момента времени в соответствии с физиологическим состоянием организма
и экологическими условиями. Сведения о циркадной временной организа-
ции (фиг. 1—3) ничуть не менее важны, чем сведения о типах соединений,
дозах, эффектах старения и т. д.
II. ЦИРКАДНЫЕ ритмы
А. ОБЩНОСТЬ, ВАРИАБЕЛЬНОСТЬ, ДОСТОВЕРНОСТЬ
Циркадные периодические явления встречаются далеко не редко;
они характерны для всех периодов жизни человека, начиная от колебаний
числа рождений в разное время суток (фиг. 4) [4—7] и кончая колебаниями
Фиг. 4. Распределение числа рождений в разное время суток, представленное
в виде периодограмм [6].
числа смертей на протяжении суток (фиг. 5) [4, 5, 8, 9]. Среди работ, касаю-
щихся этого вопроса, представляет интерес опубликованная еще в 1848 г.
статья [4], в которой говорится о спадах рождаемости и смертности в опре-
деленные часы суток. Авторы воздержались от интерпретации такого рода
«периодичности»— явления, по-видимому, достаточно сложного (см. также
фиг. 3).
После того как несколько десятилетий назад было открыто, что содер-
жание гликогена в печени изменяется ритмично, вновь повысился интерес
к тем сторонам циркадных ритмов, которые связаны с медициной [11].
На фиг. 6, А приведены ранние данные Агрена [12] по содержанию глико-
гена в печени в зависимости от времени суток, на фиг. 6, Б — аналогич-
ные данные по содержанию эозинофилов в крови для двух линий мышей
[13]. Сами изменения не вызывают сомнений, но необходимо учитывать
480
Ф. X а л б е р г
разброс. Подобные ритмы не детерминированы и носят статистический
характер [14]. Это, однако, вовсе не означает, что их нельзя воспроизвести;
нужно только, чтобы были одинаковы условия наблюдения и применялась
совершенно стандартная методика отбора проб [1].
Например, на фиг. 7 и 8, IV приведены данные (см. также фиг. 6),
которые в свое время считались «ненадежными» для нормальных животных.
Оказалось, что причиной «вариабельности» результатов служил некоторый
компонент с циркадной периодичностью, который легко можно выявить
при достаточной стандартизации опытов [13, 15—20]. Для других довольно
важных функций — например, обмена фосфолипидов печени, метаболизма
РНК и ДНК — также обнаружен ранее совершенно не подозреваемый
циркадный ритм, который также вполне воспроизводим (фиг. 8) [И, 21].
Фиг. 5. Распределение случаев смерти после операций
по времени суток [9].
В равной степени неожиданным и достоверным оказалось суточное изме-
нение чувствительности организма к действию некоторых агентов среды,
представляющих интерес для биофизиков [22, 23], фармакологов [24],
эндокринологов [25], токсикологов [26] и бактериологов [27]. Во всех
этих случаях можно подобрать условия так, чтобы циркадные изменения
в физиологическом состоянии существенным образом и воспроизводимо
сдвигали равновесие в сторону гибели или выживания (см., например,
фиг. 9).
В настоящее время для млекопитающих (например, фиг. 2 и 3) и даже
для одноклеточных (фиг. 1 в работе Гастингса [28]) построены графики,
на которых одновременно изображены ритмы на разных уровнях органи-
зации — от сопротивляемости всего организма токсинам до процессов
обмена, протекающих в отдельных фракциях цитоплазмы.
Такие графики циркадных ритмов, воспроизводимые при определен-
ных условиях для животных одного вида, пола и возраста, необходимы
для изучения внутреннего согласования во времени (^ на фиг. 1); внеш-
нее согласование во времени (/е) зависит как от внешнего синхронизатора
[29—31], так и от Таким образом, для полного представления о te или
о ti нужно принимать во внимание сразу много факторов. Пока что таких
исследований проведено очень мало, так как они требуют большого труда.
Время суток
Фиг. 6. Ночные и дневные изменения содержания гликогена
в печени (Л) [12] и числа эозинофилов в крови (Б) [13].
См. также текст н фиг. 7.
Время суток
Фиг. 7. Данные по ритму изменения содержания эозинофилов
у мыши, полученные в разных лабораториях (условия эксперимен-
тов не совсем одинаковы) [1, 18].
Отметить воспроизводимость результатов
А Б
Время суток
Фиг. 8. Циркадные изменения интенсивности метаболизма
по данным отдельных опытов [21].
А — «абсолютные» величины; Б — пересчитанные данные (в процентах к сред-
нему значению для серии измерений). I — РНК микросом; II — фосфолипиды
микросом; III — ДНК; IV — гликоген.
Временная координация физиологических функций
483
Если в нашем распоряжении окажется несколько достоверных графи-
ков циркадных ритмов, то в дальнейших экспериментах не обязательно
будет вновь полностью вычерчивать кривые для различных функций —
достаточно будет нескольких измерений в определенные моменты времени,
Фиг 9. Ритм чувствительности мышей линии С (два экспери-
мента) к внутрибрюшинному введению эндотоксина Escherichia
colt [27]
Эффект, вызываемый эндотоксином, ро"н. о меняется в зависимости от времени
суток, т е от стадии ритма, на которой производилась инъекция. По оси
ординат отложена в процентах смергно<_1ь группы стандартизованных полово-
зрелых мышей линии С после введения липополисахаридов Е colt (Difco,
100 цг на 20 г, внугрибрюшьнно) по оси абсцисс — время инъекции (в двух
опытах инъекция начиналась f гарные часы в течение дневного светового пе-
риода) См текст Отметшь вот производимое ”ь результатов
например при максимуме и минимуме активности функции (подобно тому!
как при вычерчивании маршрута достаточно нанести на географическую
карту несколько отдельных ориентиров).
Б. ШУМЫ
Стандартизация условий наблюдения, отбора проб и т. д. (см. также
[ 1 ]) не всегда выполнима. На многих кривых, по которым в клиниках, лабо-
раториях и в полевых условиях регистрируют изменения тех или иных
функций во времени, ритмы замаскированы колебаниями других перемен-
ных; последние в этом случае играют роль шумов. В первом приближении
(см. также [32]) физиологические кривые временных изменений можно
классифицировать согласно тому, насколько ярко на них выражены цир-
кадные ритмы.
Кривые типа А. Периодичность ясно выражена; ее легко про-
демонстрировать, вычертив график зависимости измеряемой функции
от времени; изменения во времени статистически достоверны и достаточно
хорошо воспроизводятся от одной серии измерений к другой.
Кривые типа Б. Периодичность можно распознать, но она иска-
жена шумами; изменения во времени для каждого эксперимента статисти-.
484 Ф. X а л б е р г
чески не случайны, но для разных экспериментов, проводимых в примерно
одинаковых условиях, величины te и могут сильно различаться.
Кривые типа В. Периодичность, если она и есть, полностью
замаскирована другими изменениями.
Если в результате эксперимента получаются кривые типа Б или В,
то для выявления циркадного периодического компонента, возможно зама-
скированного помехами, нужно либо 1) обратиться к различным математи-
ческим методам, например к вычислению автокорреляционной функции
[33] (фиг. 10) или спектральной плотности [32] (но для такого рода вычис-
лений обычно требуется очень много данных), либо 2) постараться возможно
более полной стандартизацией методики свести побочные явления до мини-
мума.
В. КОЛИЧЕСТВЕННАЯ ОЦЕНКА
При изучении конкретного циркадного ритма нужно найти его коли-
чественные характеристики, т. е. период (т), амплитуду (С) и уровень
колебаний (X на фиг. 1). О величине периода почти всегда судят по распо-
ложению максимумов или минимумов (или по моменту начала двигательной
активности); такая оценка может быть довольно субъективной. Если в ре-
зультатах измерения доминирует какая-то одна частота, первым шагом
в поисках более объективных количественных оценок периода (а также
амплитуды; см. фиг. 11) может служить достаточно осторожное использо-
вание периодограмм [34]. Сверка результатов по графикам совершенно
необходима. Не последнюю роль при анализе играют биения огибающей
(см. ниже, разд. П,Е) и другие характеристики формы периодической
функции [35].
Г. МЕТОДИКА
Анализ периодичности можно проводить лишь после достаточно долгого
пребывания организма в определенных периодически меняющихся усло-
виях внешней среды — достаточного для того, чтобы циркадные ритмы
организма были синхронизованы с режимом внешней среды. Для человека
таким режимом может быть режим работы и отдыха; для животных эту
роль почти всегда играет смена света и темноты в экспериментальных
клетках.
Удобно, чтобы продолжительность цикла синхронизатора была рав-
ной 24 час. В этом случае работу можно вести в отсутствие дополнительного
искусственного раздражения, соблюдая при этом соответствующие пред-
осторожности; кроме этого прямого метода, можно применить косвенный
метод, используя на различных стадиях ритма какой-нибудь необычный
агент.
На фиг. 2 и 3 были представлены результаты соответственно прямого
и косвенного анализа ритма мыши, синхронизированного со световым цик-
лом [1]. Нафиг. 12, В изображен ритм колебаний ректальной температу-
ры взрослого человека, синхронизированный с 24-часовым больничным
режимом.
Такая же синхронизация ритма температуры отмечается и у больного
ребенка, находящегося в той же больнице (фиг. 13). Нижняя огибающая
ритма представляет температуру больного, измерявшуюся в 5 час. утра
в течение нескольких недель, предшествовавших развитию тяжелой
формы ветряной оспы, а также по окончании лихорадочного состояния;
Ф и г. 10. Автокоррелограммы результатов измерения ректальной температуры
мыши, выполненных через 4-часовые интервалы.
Фиг. 11. Периодограмма величин ректальной температуры для отдельных мышей
в первый месяц после двусторонней энуклеации (сплошные кривые) или после «лож-
ной» операции — без ослепления (пунктирные кривые)
См. текст разд П,Д.
Б
PiHiiHiiiiii imuiiiii
i.iiiiiiiiiiniii'iiiiiiiiioVTiJiiiiL^'^^imuii..__________________________________________
iiiiiiiiiimmiiiiiiHiiimiuHiHiuiiuuiiiiihtiL'iiiuiiriii imuiiin
iiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiliiiiliiiimuiiiiiimiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiuiiiiiiiiiiiiiiii
103°
102’
99^-
™ 100^
99° I
9<S°
97’
OR Xb-J
Э0 g^51
95’
94°
93°
97gd
106’
103’
102°
од 10)0
100’
99°
98’
97°
98 —
° 96°
95°
94е
Ш№1

iiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiRifmi'jJiiiiiniiiifiiiiiviiviHHrimiii^iiiiiii
iiinimi wirr-----------------------------—.............- ....
В pin ini n 1» ixnnniai'iavi,... ....
llllll I III IIFIJIIIIIIhllhllU
lllirilllllldlMlliriJI-------------------
el.
106’
105°
100w
103’
102°
gg™°.
оо ю0°
pH
S3 Л
srl
94°
07 -~
92"
91"
lllllllllllliir 11111ПГ If 1Г11 IFir
llllll irillllLIFlI Ililllll Uillilill
л Л IIII
1111111111111111111111111111111...................—...........
liiiFiiiiiHiiiiiiFiiminmiiiiiiiiii mi iiw iiiiiiiimiinim
_______Jim iiiiiniiiiiiiiiiiiiiini im iiiiiiiikiniiiiiiii iiiioiiiui
.......................... .llllllllinilllllinillVIlllillllFlllilllFiillillllillllllllilllnlllilll.llillllJlJIllllllll
I’lHffllllffklfiir illilfjflliflilllfliriVirinilliflHIIIIIFJHinilirili |l'i!ir.|J|l|l|l1l!M|||||||i|Mi;il FilirrAlllll llllllliamiriiniinr ilHlillllFllil
lllllllllIilllilllllllillllJlllllin'IIILrillllllllViliriinill'IlVIlFhUIMFIIIIIHrU^ i IVIJIIII'HIIIIII IIII'ШIIIll'll llllllII Ill'll'lll'IIIHIillllllllll ill IIIIIIU
IliniiTIIIIITlIHIIirilllllinilll^llllllMIIIUIIIIIII^rHIlWIIIIIIiMIIIIIIII lllilllirilllllllllllllimiiirilllllHVIIIinilll IHiriliJHltlllllllllllll
IIIVIIIIIIIUNVillllkHIIIIIIIIHUIIIIVriillllUIIIIHIIllllVIIIIIHIIIilllllimilHIillltiiliVIkilhlllllllHVIIIIIIIirilll
in n iitiniiirii и ini niiiiii ilii iiiiiiiiiiiiiinimiimitiiimu iiiHuiiiiniiiiiiiiiiiimiimiiin' iHiiiiiiiiiiiiiiJiiiiiii
lllIlblllLllllllllllllllllltlllllllllllllll№|l№lllillllllllllllllllillllllllllllllllllllllllllllllldlllllllllllllllllllllHII
1:
Ф и г. 12. Ректальная темпе-
ратура, измерявшаяся через
6-часовые интервалы на протя-
жении двухмесячного периода
у двух больных со злокаче-
ственными опухолями (Л и Б)
и у госпитализированного боль-
ного (В), страдающего эпилеп-
сией (однако за время наблю-
дения припадков не было).
Температура в 5 час. утра отмечена
кружками. Обратите внимание на
синхронизацию с 24-часовым боль-
ничным режимом кривой В в отли-
чие от кривых Л и Б для больных
со злокачественными опухолями,
живущих в тех же условиях.
Временная координация физиологических функций
487
синхронизация ритма и внешнего распорядка дня не исчезала ни в инку-
бационном периоде, ни позднее — в периоде развития пустул.
Кривые на фиг. 2 и 3 построены в результате исследования многих
животных в течение одних суток, тогда как на фиг. 12 и 13 показаны резуль-
таты наблюдения многих циклов одного организма; эти кривые можно
назвать соответственно кривыми «поперечного» и «продольного» сечения.
После того как подобные исследования будут автоматизированы [40],
Фиг. 13, Синхронизация температурного ритма с больничным режимом до и после
лихорадочного периода тяжелой ветряной оспы.
получать соответствующие «продольному сечению» кривые для различных
функций станет значительно легче, что крайне важно для клиник и лабо-
раторий.
Анализ несинхронизированной периодичности (т. е. периодичности
без искусственной синхронизации) связан с максимально возможным
устранением периодических раздражений, источником которых служит
среда. Примером могут служить исследования, проводившиеся в условиях
непрерывного освещения или постоянной темноты, с контролем внешней
температуры [37, 38] (см. также [1]).
При анализе такой несинхронизированной периодичности для многих
ритмов и видов наблюдаются небольшие отклонения среднего периода от
24 час [28, 37, 38]. Такие ритмы я назвал «свободными» (free-running)
ритмами [11]. Периоды свободных ритмов могут отличаться от 24 час на
величину от нескольких минут до нескольких часов,
ywunt'• _
Д. СВОБОДНЫЕ РИТМЫ
Выявление ритмических процессов, период которых отличается от
24 час, сыграло важную роль в исследовании факторов, лежащих в основе
циркадных ритмов [1, 31]. Свободные ритмы обнаруживаются в результате
определенных воздействий либо на среду [37, 38], либо на организм (фиг. 14—
16) [1, 31, 41—44].
Средняя ректальная температура,
о
Время суток
Фиг. 14. Влияние двусторонней энуклеации на ритм ректальной температуры
у гибридных самцов мыши.
Температурный ритм у ослепленных мышей (пунктирная линия) опережает по фазе ритм контроль-
ных мышей (сплошная линия). К 22-му дню после операции он находится в противофазе с ритмом
контрольных животных. Циркадный период ректальной температуры у ослепленных мышей в сред-
нем несколько короче 24 час (ср. фиг. II). Данные показывают, что температурный ритм че син-
хооиизирован с 24-часовым распорядком. См. текст, разд. II.Д
Фиг. 15. Различие по фазе между ритмом изменения числа эозинофилов у ослеп-
ленных (/) и контрольных (//) мышей.
Разница в периодах привела к тому, что сравниваемые ритмы попали в противофазу (у жи-
вотных, перенесших ложную операцию, период равен 24 час, тогда как у ослепленных мышей он
соответствует свободному ритму, рассогласованному с режимом внешней средьы в результате
двусторонней энуклеации).
Временная координация физиологических функций
489
Случается и так, что у подопытных животных, подвергавшихся одним
и тем же воздействиям [11, 37, 38], периоды свободных ритмов оказываются
различными (см. фиг. 11). Свободные ритмы обнаруживаются на разных
уровнях организации (см. фиг. 14—16) [11]. Внешние факторы, изменение
которых происходило бы с соответствующей частотой и могло бы служить
причиной свободных ритмов, пока неизвестны, да и вряд ли когда-нибудь.
45
ио
35
30
25
20
15
10
5
О
7///S//7A
Q 12.30-13.00
20.30~2l.00
Среднее-*- t 1 ананд. ошибка
Р-0,0873
Фиг. 16. Диаграмма ритмов митотической активности в клетках эпидермиса ушной
раковины ослепленных мышей (//) и мышей, перенесших ложную операцию (/) [11].
В соответствии с фиг. 14 и 15 результаты показывают, что ритмы митотической активности нс
синхронизированы с 24-часовым режимом.
удастся всем регистрируемым физиологическим частотам поставить в соот-
ветствие геофизические или космические явления с точно таким же периодом.
Очевидно, периоды свободных колебаний характеризуют физиологиче-
скую (открытую) систему по крайней мере в такой же степени, как и ее
окружение; поэтому свободные колебания следовало бы считать в основном
эндогенными. С этой точки зрения важно выяснить, используют ли орга-
низмы, обладающие свободными циркадными ритмами, пока неизвестные
нам сигналы внешней среды [45].
Б. БИЕНИЯ
Некоторые циркадные ритмы можно представить себе как сумму двух
компонентов. Например, ритм, возникший под влиянием 24-часового внеш-
него цикла, z/j, может быть наложен на свободный ритм у2. Если два коле-
бания (z/i и z/2), лежащие в основе ритмической переменной (z/ = у{+ у2),
имеют разный период, то возникают биения. Два компонента будут перио-
дически то усиливать, что ослаблять друг друга. Максимальное усиление,
соответствующее наименьшей разности фаз, сменяется максимальным ослаб-
лением в момент наибольшей разности фаз.
На фиг. 17 показаны гипотетические ритмы, состоящие из двух компо-
нентов, периоды которых различаются соответственно на 40, 80 и 160 мин;
можно видеть, что для этих ритмов максимальная и минимальная ампли-
туды чередуются через правильные промежутки времени — соответственно
через 171/2 дней, S1/^ дней и через 4 дня (см. также [46]).
v w

Л л А А А А л л Л Л Л л Л А л л Л Л л
Лнм
Vb V J V u У J у * ‘ ' К <
Фиг 17 Частота биений как функция различия периодов двух гипо-
тетических частотных компонентов.
См. текст, разд. II, Е.
Экспериментальные „сутки
12 3 4 5 6 7 8
Время но специальным часам (21-часовые„сутки”)
Фиг. 18. Биения в физиологических циркадных ритмах [4/, 48].
равните, например, данные по выведению воды у испытуемого В с абстрактным ритмом
на фиг. 17,В.
Временная координация физиологических функций 491
Вычерченные на фиг. 17 гипотетические ритмы позволяют объяснить
биения кривых ректальной температуры некоторых госпитализированных
больных. Но особенно поразительно сходство фиг. 17 с данными Льюиса
и Лоббан [47, 48] о выведении воды из организма (фиг. 18). Эти данные
были получены на Шпицбергене, где изолированная группа людей жила
в относительно хорошо контролируемых условиях внешней среды. Но для
нас особенно интересен необычный распорядок жизни этих людей — их
сутки длились 21 час. Эти люди строго соблюдали режим по специально
приспособленным часам, которые отсчитывали 12 час по прошествии каж-
дых 101/2 час. Если полученные в таких условиях данные о выведении воды
считать результатом взаимодействия двух периодических компонентов,
то надо думать, что одним из них был, скорее всего, искусственный режим
«21-часового дня». Другой компонент (или компоненты) можно отнести
за счет временно сохранившегося влияния 24-часового режима, соблюдав-
шегося этими людьми ранее, или за счет свободного ритма с периодом, близ-
ким к 24 час, а возможно, и за счет воздействия синхронизатора Ill, 47, 48].
[gll. ФАКТОРЫ, ЛЕЖАЩИЕ В ОСНОВЕ ВРЕМЕННОЙ
КООРДИНАЦИИ
А. ВНУТРЕННИЕ ФАКТОРЫ
Фиг. 19 схематически иллюстрирует влияние гуморального и нервного
фактора на циркадные ритмы клеточных процессов. В основе этой схемы
лежат данные, полученные при изучении метаболизма при физиологиче-
ских исследованиях методом «удаления и пересадки», при регистрации
спонтанных и вызванных потенциалов и т. д. Если не считать новых данных
по влиянию адреналэктомии на некоторые ритмы мыши и человека (фиг. 20
и 21), все относящиеся сюда сведения можно найти в литературе ([31],
см. также [1, 11, 50]), к которой во избежание повторения мы и отсылаем
читателя
Б. ВНЕШНИЕ ФАКТОРЫ
Изменение фазы циркадных ритмов в результате сдвига фазы синхро-
низатора неоднократно регистрировалось, анализировалось и обсуждалось
И, 11, 36, 37, 51]. Сдвиг фазы ритма можно осуществить на различных
уровнях физиологической организации (фиг. 22); по-видимому, виды,
стоящие на различных уровнях развития 13, 28, 52], подчиняются некото-
рым общим правилам [31].
В. СДВИГ ФАЗЫ
Варьируя периодически меняющиеся условия среды, можно удлинить
или укоротить какие-то существенные звенья в цепи ритмических процессов
обмена, но их нельзя исключить или перерасположить в произвольном
порядке. Насущная потребность млекопитающих во временной координа-
ции приводит к тому, что перестройка организма в соответствии с новым
режимом среды на .некоторый период задерживается (фиг. 22, В). Поэтому
после резкого сдвига фазы синхронизатора ход ритмов меняется постепенно.
У многих высокоорганизованных видов и функций реакция на сильные
изменения режима внешней среды действительно занимает некоторое время
поясная
Гипоталамус
гиппокамп
цнс
Зри-
)теяь
'ный
трат
Миндалевидное
ядро
например улитка,
проприоцепторы,
экстерорецепторы
Путь 3.
Млекопитающие
—“— Нервные му*ш
лимиической системы
----<- Классические латеральные
афферентные пути
----Медиальные аффе-
рентные пути
Другие
органы чувств,
Среда
18
Местное
время
Пить 2:
______Простые многоклеточные
(внутри-и внекпеточныегйморальные *'
п \ факторы) а 1Я
Путь!. одноклеточные
(внут/ГшюпютыГгум^амтефакторы^’
12
Синхронизатор
Гинотадамус
Яачжж
Щитовидная
железа
Периферические
системы
о
б
12
КлетЬчмое
время \
Клетка,
например
печеночная/
X 12
Эндокринная
система
.Д’*
Заданные циркадные
(период около 2Ьчас)ритмы
___
О 12 24 час.
Равные периоды, фиксированные фазовые
соотношения между самими ритмами и
между ритмами и синхронизатором
Ф и г. 19. Схема известных и
гипотетических путей и факте-
ров, участвующих в синхрони-
зации циркадных ритмов меж-
ду собой и с внешними синхро-
низаторами.
Ф"и г. 20, Влияние недостаточности коры надпочечников на ритмы изменения
числа эозинофилов в крови (Л), числа митозов в клетках эпидермиса (Б) и обмена
фосфолипидов в печени (В).
1 — контроль, II — адреналэктомия.
Фиг. 21. Сглаживание ритма изменения числа эозинофилов у человека при
недостаточности коры надпочечников [49].
Группа I — ограниченная двигательная активность (нормальная функция надпочечников);
группа 2 — неограниченная двигательная активность (нормальная функция надпочечников);
труппа 3 — ограниченная двигательная активность (недостаточность функции надпочечников).
Время суток
Б
Фиг. 22 Сдвиг фазы циркадных ритмов мыши на разных уровнях организации
при изменении светового режима [31, 53].
Л — митозы в разных тканях (t* озн^чаеТ1 чт0 прИ подсчете использовано логарифмической пре-
образование); Б метаболизм различнь1Х нуклеиновых кислот; В — содержание гликогена в пе-
чени; Г — чувствительность к этиловому спирту. На последнем графике по оси ординат отложена
смертность через 20 мин после внутрибрюшинного введения. Обратите внимание на разницу во
внешнем согласовании между группами / (свет с б час. утра до 6 час. вечера) н II (обратный
световой режим). Световой режим груш1ы /// состоял в чередовании 4 час света и 4 час темноты, что
привело к рассогларованию и появлению свободного ритма.
Временная координация физиологических функций
495-
(«время сдвига» или «время синхронизации»). Лишь после некоторой задерж-
ки организм обретает способность доставлять «прежние соединения» в «преж-
ние места» в соответствующие условиям среды «новые моменты времени»
(см. также разд. 1,В и [31]); характеристика адаптации te может быть изме-
нена только как функция — параметра функциональной интеграции.
Зависимость внешнего согласования во времени от внутренней циркадной
временной структуры служит веским аргументом против гипотезы чисто
экзогенного происхождения ритмов.
Следуя за сдвигом фазы главного синхронизатора, ритмы млекопитаю-
щих претерпевают переходные изменения; время сдвига различных функ-
ций у одних и тех же организмов оказывается не всегда одинаковым; то же
относится к поведению одной и той же переменной в разных тканях. Так,
инверсия ритма митозов в печеночных клетках мышей была обнаружена
через 9 дней после введения обратного режима освещения, тогда как ритм
митозов в клетках эпидермиса ушной раковины у тех же животных к этому
времени еще не испытал полной инверсии [11]. Время сдвига митозов
в клетках ушной раковины отличается также от времени сдвига числа эози-
нофилов в крови [И] и содержания гликогена в печени [50, 53].
Исследуя после сдвига фазы синхронизатора время сдвига сразу для
многих переменных [31, 53], можно проанализировать вероятную взаимо-
зависимость периодических физиологических функций. Так же как различ-
ные соединения можно разделить по скорости их движения при хромато-
графии на бумаге, так и разные ритмические функции можно распределить
(уже не в пространстве, а во времени) в соответствии со скоростями их
«движения» вслед за инверсией доминирующего синхронизатора (например,
освещения) [31]. Особенно интересных результатов можно ждать от изу-
чения сдвига фазы ритма чувствительности по отношению к ритмам мета-
болических и эндокринных процессов.
IV. ИЗМЕНЕННАЯ ВРЕМЕННАЯ КООРДИНАЦИЯ
А. ПРЕДЕЛЫ ВРЕМЕННОЙ АДАПТАЦИИ
У некоторых форм живых организмов циркадные ритмы не могут син-
хронизироваться с режимом внешней среды, если его период выходит за опре-
деленные пределы [37, 38, 54, 55]. Ритм чувствительности мышей к этанолу
или ритм их двигательной активности (фиг. 23) могут быть рассогласованы
с режимом чередования света и темноты, если применить режим 4 час свет—
4 час темнота; рассогласование проявляется через 5 (фиг. 22,Г) или через
9 дней после введения нового режима. На (внешнее) рассогласование ритма
с режимом среды указывает появление свободных колебаний (фиг. 23 и,
вероятно, ритм группы III на фиг. 22,Г). Здесь весьма важно выяснить
вопрос о степени отклонения свободных ритмов один относительно другого
при этих условиях (внутреннее рассогласование).
Б. ПРОБЛЕМЫ КОСМИЧЕСКОЙ МЕДИЦИНЫ
На фиг. 24 показаны автокоррелограммы циркадных ритмов работо-
способности людей в условиях 8-часового дня [56]. Людей, прошедших
специальную подготовку, Хоти помещал в закрытые камеры поодиночке,
где они должны были попеременно 4 час отдыхать и 4 час работать со слож-
ными системами управления. Анализ был основан на средних значениях
496
Ф. X а л б е р г
производительности, которую для каждого оператора оценивали через
8-часовые интервалы. Столь большие интервалы при общей продолжи-
тельности эксперимента всего в 7 дней существенно ограничивают ценность
полученных данных; поэтому на основании фиг. 24 можно сделать лишь
самые приближенные качественные выводы.
Прежде всего можно видеть, что степень адаптации у разных людей
различна. Для некоторых функций оператора А (например, «снятие пока-
заний») циркадный компонент выражен вполне отчетливо, тогда как для
тех же функций у некоторых других операторов он если и выражен, то
2
WWW"’’!’”’’
3
Ф и г. 23. Рассогласование ритма общей двигательной активности мышей при
4-часовом режиме смены света и темноты.
Активность дана в произвольных единицах. Последовательные вертикальные колонки соответствуют
24 час. Виден постепенный сдвиг пика слева направо, например для 3-й мыши.
гораздо слабее. Далее, степень адаптации, по-видимому, различна для
разных функций одного и того же оператора (сравните «снятие показаний»
или «распознавание» у оператора А с его «работой за экраном радара»).
Для оператора А, циркадный компонент у которого выражен особенно
отчетливо, адаптация к 8-часовому дню оказалась наиболее затруднитель-
ной. По-видимому, степень адаптации к искусственным внешним режимам
зависит от податливости нашей циркадной системы (?Д к различным изме-
нениям.
В. ДАННЫЕ ИЗ ОБЛАСТИ ПСИХИАТРИИ
Трое больных — Т?2 и 7?з (фиг. 25) — подвергались терапии эле-
ктрошоком (два электрошока каждые 12 час) в течение одной-двух недель
[57], пока не наступала ремиссия. При подобной схеме терапии электрошок
не оказывал заметного влияния на ритмические изменения содержания
эозинофилов в крови и на колебания температуры тела; это влияние прояв-
лялось лишь вначале; вообще же для обоих ритмов доминирующим был
прежний циркадный период. Этот результат — сохранение циркадного
+0,8
0,4
О
-0,4
+0,8
О.4
О
+0,4
Распознавание Радар
Решение задач Снятие показании
0369 0369 0369 0369
№ интервала между измерениями (к)
Б
Фиг. 24. Циркадные ритмы работоспособности двух субъектов, адаптирующихся к «8-часовым суткам» [56].
Интервалы между измерениями составляют 8 час. У некоторых субъектов циркадные периодические компоненты найдены также в ритмах сердечной
деятельности.
Фиг. 25. Периодограммы ректальной температуры (/) и содержания эозинофилов
(//) у трех испытуемых Ri, R2 и ^з, подвергавшихся терапии электрошоком через
12-часовые интервалы [57].
См. текст.
Фиг. 26. Периодограммы ректальной температуры трех испытуемых (Rlt R2 и #з)
[57].
Отдельно проанализированы два дня, принадлежащие первой и второй половине периода шоковой
терапии, и дни до и после лечения. См. текст. Л — до шоковой терапии; Б и В — шоковая терапия;
Г — ремиссия; Д н Е — после ремиссии.
Временная координация физиологических функций
499
периода при таком сильном периодическом воздействии на организм каж-
дые 12 час — служит еще одним веским доводом против довольно распро-
страненного мнения, что циркадные ритмы человека «возбуждаются извне
и поддерживаются изнутри».
Интересно также (фиг. 25), что у каждого из трех больных период
ритма для ректальной температуры короче, чем для содержания эозино-
филов в крови. О значении такой разницы в периодах нельзя ска-
зать ничего определенного; расхождение свободных ритмов заслуживает
внимания как одна из возможных причин общего временного рассогла-
сования.
Интерпретация фиг. 25 и 26 с физиологической точки зрения затруднена
тем, что в данном случае речь шла о психически больных с расстройствами
эмоциональной сферы — свободные ритмы у них могли существовать еще
до начала шоковой терапии (для выяснения этой возможности имеющихся
данных недостаточно). Но во всяком случае можно считать твердо устано-
вленным один очень интересный с точки зрения физиологии факт — со-
хранение циркадного периода в условиях интенсивной шоковой терапии,
а также в период ремиссии и после нее (фиг. 26).
Г. ЭПИЛЕПТИЧЕСКИЕ СУДОРОЖНЫЕ ПРИПАДКИ
На фиг. 27 показаны температурные кривые больных эпилепсией.
В течение нескольких сотен дней наблюдения температура, измеренная
в 5 час. утра, чаще всего была выше, чем в любое другое время суток.
Фиг. 27. Ректальная температура, измерявшаяся через 6-часовые
интервалы между двумя вспышками сильных эпилептических при-
падков (отмечены стрелками).
Температура в 5 час. утра отмечена черными кружками. На 4-й день пик на-
блюдается в 11 час. утра, на 5-й и 6-й день — в 5 час. вечера и на 7-й день
(а также на 8-й) — в 11 час. вечера. При беглом рассмотрении этих данных
никаких выводов сделать нельзя; можно лишь отметить явно выраженную
температурную аритмию.
Период температурного ритма вскоре после припадков (фиг. 27) гово-
рит о возможном рассогласовании ритма с суточным режимом. Однако
этот участок кривой не характерен для остальных больших отрезков
времени, когда наблюдались только небольшие отклонения периода в обе
стороны.
Б
Фиг. 28. Распределение эпилептических судорожных припадков
во времени.
А — ночные припадки; Б — дневные припадки. Обратите внимание на изме-
нение распределения припадков при изменении режима сна {Б,II).
Временная координация физиологических функций
501
Помимо нерегулярности температурного ритма у некоторых больных
эпилепсией, представляет интерес хорошо известная «периодичность»
самих припадков (фиг. 28, А и Б) [49, 50, 58, 59]. Некоторые относящиеся
сюда данные получены в эксперименте на животных [22, 23].
Д. ТЕМПЕРАТУРНАЯ АРИТМИЯ БЕЗ ПОВЫШЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ
Для людей, соблюдающих постоянный режим, существенные наруше-
ния периодичности температурной кривой могут служить признаком забо-
левания. При многих хронических заболеваниях — от рака (фиг. 12, А и Б)
до эпилепсии (фиг. 27), а также при умственной неполноценности (фиг. 29, В) —
наблюдаются нарушения температурного ритма, не сопровождающиеся
повышением температуры; впрочем, и сами эти нарушения при указанных
заболеваниях далеко не обязательны (например, фиг. 12, В и 29, Л). Сами
по себе нарушения температурного ритма неспецифичны, но имеют не
меньшее диагностическое значение, чем повышение температуры [1];
последнее тоже неспецифично, но часто имеет решающее значение для
диагноза.
Для тех, кого интересует проблема ритмов (но не для работников кли-
ник), кривые, изображенные на фиг. 12, Л и В, 27 и 29, В, относятся к кри-
вым типа В (см. разд. II, Б). Условия, при которых измерялись эти кривые,
подбирались так, чтобы был возможен анализ периодичности, непосред-
ственно синхронизированной режимом среды; ритмы получились сильно
размытыми.
Однако те же условия наблюдения позволили обнаружить хорошо
выраженный ритм температуры у многих других больных, встававших
каждое утро в 6час. и ложившихся спать в 9 час. 30мин. вечера. Нафиг. 12, В,
13 и 29, Л и Б приведены четыре взятых для иллюстрации примера из несколь-
ких сотен случаев; для каждого из них измерения велись через каждые
6 час на протяжении по крайней мере 100 дней. Полученной таким образом
серией кривых пользовались как эталоном для анализа сильно отличаю-
щихся от нормы (но не заходящих в область высоких температур) темпе-
ратурных кривых, в которых ночные максимумы на протяжении многих
месяцев чередовались с дневными. Вполне возможно, что аномальные кри-
вые отражают взаимодействие двух или нескольких периодических компо-
нентов: один из них обусловлен больничным режимом еды и сна, а осталь-
ные, по всей вероятности, представляют собой свободные ритмы (см. также
разд. II,Е).
Е. ПРОБЛЕМЫ РАССОГЛАСОВАНИЯ ЦИРКАДНЫХ РИТМОВ У ЧЕЛОВЕКА
Патологические процессы, протекающие в организме больного чело-
века, могут привести к рассогласованию его ритма с ритмом внешней среды
подобно тому, что наблюдается в опытах по ослеплению эксперименталь-
ных животных. Продемонстрировать рассогласование в этом случае слож-
нее, чем для слепых мышей: мыши могут жить по «собственному режиму»
питания и двигательной активности, а человек всегда находится в условиях
примерно 24-часового режима.
Это обстоятельство усложняет анализ периодичности по кривым
физиологических ритмов, по кривым ректальной температуры и другим
кривым. В таких случаях, как свидетельствует недавний небольшой опыт
автора, полезно вычисление спектральной плотности [32].
™ 11111111111111111Г111 ГЛ ПТПI11 i 111111111111111
Б
i n
В
Временная координация физиологических функций 503
Анализ периодичности, характерной для данного организма, зависит,
конечно, от методики проведения измерений: измерения должны быть точ-
ными, должны вносить минимальные искажения и через соответствующие
интервалы повторяться на протяжении большого периода времени [40].
Не менее важна (а может быть, и еще важнее) правильная математическая
обработка полученных результатов, которая позволила бы объективно оце-
нить их достоверность и выявить периодичность, если она имеется. Вхо-
дящие сюда вычислительные операции в настоящее время программируются
на электронных вычислительных машинах; применение машин имеет осо-
бенно большое значение в тех случаях, когда в основе измеренных величин
лежит несколько частотных компонентов. Эти соображения, важные для
медицинских исследований, вероятно, в равной мере относятся и к другим
проблемам количественной биологии, которые обсуждаются на этом симпо-
зиуме.
Также ждут изучения — как на здоровых, так и на больных орга-
низмах — меняющиеся фазовые соотношения между самими циркадными
ритмами. Фиг. 19, которая дает представление о факторах и путях, обес-
печивающих согласование циркадных ритмов в организме, позволяет
понять механизмы, ведущие к рассогласованию. Проблемы согласования
во времени (te и /г) имеют существенное значение для самых разнообразных
заболеваний, начиная от заболеваний центральной нервной системы и кон-
чая нарушением периодических процессов, лежащих в основе роста и реге-
нерации [60, 61].
Ж- ЗАКЛЮЧИТЕЛЬНЫЕ ЗАМЕЧАНИЯ
Временная организация физиологических функций обычно связана
с циркадной структурой, обладающей большой, хотя и не безграничной
пластичностью. Давно известное нам «согласование частей» на самом деле
представляет собой «согласование частей во времени».
Значение ритмических систем организма особенно ясно видно при ана-
лизе изменений сопротивляемости организма по отношению к различным
внешним воздействиям в зависимости от времени суток. Можно экспери-
ментально показать, что инъекция строго определенного количества неко-
торого агента в одну и ту же область может оказаться смертельной или
несмертельной в зависимости от того, при каких фазовых соотношениях
между циркадными ритмами организма она произведена (см. фиг. 3 и 9).
Синхронизация всех циркадных систем с внешним режимом имеет
определенную ценность для адаптации организма к среде. В физиологии
координация во времени тесно связывает вопросы функциональной орга-
низации и адаптации. Анализ периодичности определяет адаптацию как
функцию интеграции и наоборот. С этой точки зрения одновременное изу-
чение зависимости внутреннего согласования ритмов от многих переменных
(о котором говорилось в разд. 1,Б) представляется особенно перспективным.
Фиг. 29. Значения ректальной температуры, измерявшейся через 6-часовые интер-
валы у больных в условиях больничного режима.
Кружками показана температура в 5 час. утра. Синхронизация температурного ритма с распоряд-
ком больницы при болезни Дауна (А) и при фенилкетонурии (Б; биения?). Сравните нерегулярно-
сти ритма двух других больных с фенилкетонурией: одна больная страдала спастическим параличом
нижних конечностей (В, I), а другая — диабетом (В, II). См. разд. IV, Д.
504
Ф. X а л б е р г
ЛИТЕРАТУРА
1. Н а 1 b е г g F., Physiologic 24-hour periodicity; general and procedural considera-
tions with reference to the adrenal cycle, Zeit. f. Vitamin — Hornion- und Ferment-
forschung, 10, 225—296 (1959).
2. Pittendrigh C. S., Bruce V. G., R osensweig N.S., Rubin M. L.,
Growth patterns in neurospora, Nature, 184, 169—170 (1959).
3. Bruce V. G., Weight F., P i t t e n d r i g h C. S., Resetting the sporulation
rhythm in Pilobolus with short light flashes of high intensity, Science, 131, 728—
729 (1960).
4. D a n z C. F., F u c h s C. F., Physischmedicinische Topographie des Kreises
Schmalkalden, p. 205—206. Schriften der Ges. z. Beford der Gesammten Natur-
wissenschaften zu Marburg, Band 6, 1848.
5. J e n n у E., Tagesperiodische Einfliisse auf Geburt und Tod, Schweiz, med. Wo-
chensch., 63 (1), 15—17 (1933).
6. C h a r 1 e s E., The hour of birth, a study of the distribution of times of onset
of labour and of delivery throughout the 24-hour period, Brit. J. Prev. and Soc.
Med., 7, 43—59 (1953).
7, M a 1 e к J., Der Einfluss des Lichtes und der Dunkelheit auf den klinischen
Geburtsbeginn, Gynaecologia, 138, 401—405 (1954).
8. S c h n e i d e r C. F., Ein Beitrag zur Ermittelung der Sterblichkeits-Verhaltnisse
in Berlin nach den Tageszeiten, Archiv. f. part. Anat. und Physiol, u. f. klin.
Med., 16, 96—119 (1859).
9. Frey S., Der Tod des Menschen in seinen Beziehungen zu den Tages und Jahres-
zeiten, Deutsch. Zeit. fur Chirurgie, 218, 366—369 (1929).
10. H u f e 1 a n d C. W., The Art of Prolonging Life, p. 201. London, J. Bell, 1797.
11. Halberg F., Halberg E., В a r n u m С. P., В i t t n e r J. J., Physiolo-
gic 24-hour periodicity in human beings and mice, the lighting regimen and daily
routine, p. 803—878. Photoperiodism and Related Phenomena in Plants and Ani-
mals, ed. Withrow. Washington, A. A. A. S., 1959.
12. Agren G., Wilander O., Jorpes E., Cyclic changes in the glycogen
content of the liver and the muscles of rats and mice. Their bearing upon the
sensitivity of the animals to insulin and their influence on the urinary output
of nitrogen, Biochem. J., 25, 777—785 (1931).
13. H a 1 b e r g F., V i s s c h e r M. B., Regular diurnal physiological variation
in eosinophil levels in five stocks of mice, Proc. Soc. Exp. Biol, and Med., 75,
846—847 (1950).
14. Halberg F., Medizin, p. 336—351. Jahrbuch der Internationalen Hochschul-
wochen des Osterreichischen College. Salzburg: Igonta Verlag, 1946.
15. Halberg F., Visscher M. B., F 1 i n к E. B., Berge K-, Bock F.,.
Diurnal rhythmic changes in blood eosinophil levels in health and in certain
diseases, J. Lancet, 71, 312—319 (1951).
16. К ai ne H. D., S e 1 t z e r H. S., Conn J. W., Mechanisms of diurnal
eosinophil rhythm in man, J. Lab. and Clin. Med., 45, 247—252 (1955).
17. Takai K-, Osada Y., Dynamis of Eosinophils. Tokio-Osaka: Igaku Shoirr
Ltd, p. 277, 1956.
18. Panzenhagen H., S p e i r s R., Effect of horse serum, adrenal hormones,
and histamine on the number of eosinophils in the blood and peritoneal fluid
of mice, Blood, 8, 536—544, 1953.
19. В r own H. E., D о u g h e r t у T. F., The diurnal variation of blood leucocytes
in normal and adrenalectomized mice. Endocrinology, 58, 365—375 (1956).
20. L о u c h С., M e у e r R. К., E m 1 e n J. T., Effect of stress on diurnal fluctua-
tions in eosinophils of the laboratory mouse, Proc. Soc. Exp. Biol, and Med., 82,.
668—671 (1953).
Временная координация физиологических функций
505
21. В а г n u m С. Р., J а г d е t z к у С. D., Halberg F., Nucleic acid synthesis
in regenerating liver, Texas Repts. Biol. Med., 15, 134—147 (1957).
22. Halberg F., В i t t n e r J. J., G u 1 1 у R. J., A 1 b r e c h t P. G., Brack-
n e у E. L., 24-hour periodicity and audiogenic convulsions in I mice of various
ages, Proc. Soc. Exp. Biol, and Med., 88, 169—173 (1955).
23. Halberg F., Jacobsen E., Wadsworth G., Bittner J. J.,
Abnormal audiogenic response spectrum in mice, Science, 128, 657—658 (1958).
24. Halberg F., Haus E., Stephens A., Susceptibility to ouabain and
physiologic 24-hour periodicity, Fed. Proc., 18, 63, 1959.
25. L i t m a n T., H a 1 b e r g F., E 1 1 i s S., В itt ner J. J., Pituitary growth
hormone and mitoses in immature mouse liver, Endocrinology, 62, 361—365-
(1958).
26. Haus E., H a 1 b e r g F., 24-hour rhythm in susceptibility of C Mice to a toxic
dose of ethanol, J. Appl. Physiol., 14, 878—880 (1959).
27. Halberg F., Johnson E., Brown W., Bittner J. J., Susceptibility
rhythm to E. coll endotoxin and bioassay, Proc. Soc. Exp. Biol, and Med., 103,
142—144 (1960).
28. Hastings J. W., Unicellular clocks. Annual Rev. Microbiol., 13, 297—312
(1959).
29. Halberg F., Visscher M. B., Bittner J. J., Observations on the
eosinophil rhythm in mice; range of occurrence, effects of illumination, feeding
and adrenalectomy, Am. J. Physiol., 174, 313—315 (1953).
30. Halberg F., V i s s c h e r M. B., Bittner J. J., Relation of visual factors
to eosinophil rhythm in mice, Am. J. Physiol. 179, 229—235, 1954.
31. Halberg F., The 24-hour scale: A time dimension of adaptive functional organi-
zation. Perspectives in Biology and Medicine, 3, 491—527 (1960).
32. В 1 а с к m a n R. В., T u к e у J. W., The Measurement of Power Spectra. New
York: Dover Publications, Inc., 1958.
33. Kendall M. G., The Advanced Theory of Statistics. Vol. II, p. 363—439. Lon-
don: Charles Griffin and Co., Ltd., 1948.
34. Koehler F., О к a n о F. K-, Elveback L. R., Halberg F., В i t-
tner J. J., Periodograms for study of daily physiologic periodicity in mice
and man, Experimental Med. and Surg., 14, 5—30, 1956.
35. Sollberger A., Studies of temporal variations in biological variates. Suppl.
to the Reports from the 5th Conf, of the Soc. for Biol. Rhythm. Stockholm. 1 — 111,
1960.
36. W e 1 s h J. H., Diurnal rhythms, Quart. Rev. Biol., 13, 123—139 (1938).*
37. Aschoff J., Tierishe Periodik unter dem Einfluss von Zeitgebern, Z. Tierpsych.r
15, 1—30 (1958).
38. Pittendrigh C. S., В r u с e V. G., An oscillator model for biological clocks,,
p. 75—109. Rhythmic and Synthetic Processes in Growth, ed. Rudnick. Princeton,
N. J., Princeton University Press, 1957.
39. Cloudsley-Thompson J. L., Diurnal rhythms of activity in terrestrial
arthropods, Nature, 178, 215 (1956).
40. Muller R. H., et al., Automatic chemical analysis, Ann. N. Y. Acad. Sci., 87,
609—951 (1960).
41. Halberg F., Beobachtungen uber 24-Stundenperiodik in standardisierter Ver-
suchanordnung vor und nach Epinephrektomie und bilateraler optischer Enuklea-
tion. Berichte ges. Physiol., 162, 354—355, 1954.
42. Halberg F., Visscher M. B., The dependence of an adrenal cycle in the
mouse upon lighting. XIX Intern. Physiol. Cong., Therien Freres Limitee-Mont-
real, pp. 428—429, 1953.
43. Halberg F., Visscher M. B., Some physiologic effects of lighting. Proc.
.506
Ф. Халберг
First Intern. Photobiol. Congr., Amsterdam. H. Veenman and Zonen. Wageningen,
pp. 396—398, 1954.
44. H a 1 b e r g F., Circadian rhythms: a determinant of response to environmental
agents. Proc. Firsg Internat. Symp. on Submarine and Space Medicine, in
press.
45. W e b b H. M., Brown F. A., Jr., Timing long-cycle physiological rhytms,
Physiological Rev., 39, 127—161 (1959).
46. Halberg F., Loewenson R., Winter R., Bearman J., Ad-
kin s G. H., Differences in period of circadian rhythms or in their component
frequencies; some general implications to research and clinic. (In press.)
47. Lewis P. R., L о b b a n M. C., The effects of prolonged periods of life on abnor-
mal time routines upon excretory rhythms in human subjects, Quart. J. Exptl.
Physiol., 42, 356—371 (1957).
48. L e w i s P. R., L о b b a n M. C., Dissociation of diurnal rhythms in human
subjects living on abnormal times routines, Quart. J. Exptl. Physiol., 42, 371 —
386 (1957).
49. H a 1 b e r g F., Some physiological and clinical aspects of 24-hour periodicity,
J. Lancet, 73, 20—32 (1953).
50. Halberg F., H о w a r d R. B., 24-hour periodicity and experimental medicine:
examples and interpretations, Postgraduate Medicine, 24, 349—358 (1958).
51. Reinberg A., Ghat a J., Rhythmes et cycles Biologiques, p. 128. Paris.
Presses Universitaires de France, 1957.
52. Halberg F., В a r n u m С. P., S i 1 b e r R. H., Bittner J. J., 24-hour
rhythms at different levels of integration in the mouse and the lighting regimen,
Proc. Soc. Exp. Biol, and Med., 97, 897—900 (1958).
53. H a 1 b e r g F., A 1 b r e c h t P. G., В a r n u m С. P., Phase shyfting of liver
glycogen rhythm in intact mice, Am. J. Physiol., 199, 400—402, 1960.
54. T r i b u к a i t B., Aktivitatsperiodik der Maus im kunstlich verkurtzten Tag,
Naturwissenschaften, 41, 92—93 (1954).
55. Tribukait B., Die Aktivitatsperiodik der weissen Maus im Kunsttag von
16—29 Stunden Lange, Z. vergleich. Physiol., 38, 479—490 (1956).
56. H a u t у G. T., S t e i n к a m p G. R., Hawkins W. R., Halberg F.,
Circadian performance rhythms in men adapting to an 8-hour day, Fed. Proc.,
19, 54 (1960).
57. Fleeson W.,G1 u eck В. C., Jr., Halberg F., Persistence of daily rhythms
in eosinophil count and rectal temperature during «regression» induced by intensive
electroshock therapy, Physiologist, 1, 28 (1957).
58. Beau M., Recherches statistiques pour servir a 1’histoire de I’epilepsie et de
1’hysterie, Arch. gen. med., Ser. 2, 11, 328—352 (1836).
59. Fere C., De la frequence des acces d’epilepsie suivant les heures, Compt. rend,
soc. biol., 40, 740—742 (1888).
60. Halberg F., Bittner J. J., Smith D., Mitotic rhythm in mice, mam-
mary tumor milk agent, and breast cancer, Proc. Amer. Assoc. Cancer Res., 2,
305 (1958).
•61. Harker J. E., Experimental production of midgut tumours in Periplaneta ameri-
cana L., J. Exp. Biol., 35, 251—259 (1958).
ОБСУЖДЕНИЕ ДОКЛАДА
Фолк. Мне бы хотелось обратить особое внимание на измерения ритма
сердца, о которых кратко упомянул д-р Халберг. На этом симпозиуме
о ритмах сердца говорили мало, и, возможно, д-р Халберг хотел бы, чтобы
этим данным было уделено больше внимания. Следует заметить, что в
Временная координация физиологических функций 507
нескольких опубликованных работах встречается утверждение, что «ритм
сердца целиком зависит от условий среды». Мы уже опубликовали резуль-
таты, полученные в нашей лаборатории, а недавно получили много новых
данных по ритмам сердца; эти данные позволяют нам усомниться в правиль-
ности упомянутого утверждения. Как и в других физиологических ритмах
млекопитающих, здесь, вероятно, имеется дневная и ночная настройка
активности сердечно-сосудистой системы.
X а л б е р г. Крайняя «чувствительность» какой-либо функции
к раздражениям различного рода еще не указывает на экзогенное происхо-
ждение ее циркадного ритма. Как следует из исследований д-ра Фолка
и также из согласующейся с ними работы проф. Мензеля (Гамбург), это от-
носится к целому ряду ритмов, в том числе и к ритму сердечных сокращений.
Здесь можно сослаться на очень важные данные Хоти, обнаружившего
циркадный компонент в ритме сердечных сокращений у людей, адаптиро-
вавшихся к 8-часовому распорядку дня. Если бы ритм сердечных сокра-
щений был чисто экзогенным, он потерял бы свой циркадный компонент
в условиях «8-часовых суток». Автокоррелограммы показывают, что в дни,
непосредственно следующие за изменением режима, это не наблюдается.
Следует подчеркнуть, что эти авто коррелограммы основаны на результатах
измерений, производившихся с интервалом 1 час — в отличие от кривых
работоспособности тех же людей, измерявшейся каждые 8 час.
Шапиро. Огромное количество представленных д-ром Халбергом
данных очень убедительно, особенно благодаря их систематическому изло-
жению и оценке. Мне бы хотелось в связи с данными по корреляции днев-
ных ритмов ЭЭГ и функции надпочечников обратить внимание на допол-
нительные достаточно четкие 90-минутные циклы ЭЭГ; эти циклы, как
показано Клейтманом и подтверждено в других работах, наблюдаются
во время сна у человека. Проявляется ли аналогичный ритм в функции
надпочечников?
Данные по изменению чувствительности к «постоянной» дозе этило-
вого спирта на протяжении суток вновь подчеркивают, насколько обман-
чивым может быть кажущееся постоянство внешней среды при исследова-
нии поведения живых организмов. Возможно, этим объясняются наблюдае-
мые клиницистами выраженные колебания (иногда на протяжении суток)
терапевтической эффективности лекарственных веществ, назначаемых
в форме капсул, из которых препарат освобождается с постоянной скоро-
стью. В таких случаях, по-видимому, активные лекарственные вещества
лучше вводить отдельными порциями с должным учетом суточных ритмов
чувствительности организма; этим можно добиться максимального терапев-
тического эффекта при минимальном побочном действии.
X а л б е р г. Около 10 лет назад д-р Энгель1 провел следующую работу:
у больных эпилепсией на протяжении суток каждые 90 мин регистриро-
вали ЭЭГ и определяли содержание эозинофилов в крови. (Сон при этом
почти не прерывался.) Спустя несколько лет мы определяли у тех же
больных — тоже через 90 мин на протяжении 24 час — содержание 17-окси-
кортикостероидов в плазме (по методу Мэзона). Следует оговорить, что,
во-первых, собранные данные касаются группы больных и, возможно,
нехарактерны для нормы; во-вторых, цель эксперимента состояла в изу-
чении внутреннего согласования суточных изменений ЭЭГ (регистрация
производилась перед взятием пробы крови) и содержания гормона коры
1 Halberg, Engel, Halberg a. Gully, Fed. Proc., 11, 63, 1952;
<см. также Engel et al., J. Lancet, 72, 242'—248 (1952).
508
Ф. X а л б е р г
надпочечников в крови. При 90-минутных интервалах измерений трудно*
сказать что-либо определенное о 90-минутных циклах функции надпочеч-
ников, о которых спрашивает д-р Шапиро. Следует тем не менее отметить,
что наблюдавшиеся колебания в содержании 17-оксикортикостероидов —
сон при взятии проб почти не прерывался — значительно больше ошибки
метода. Обнаружение ритма с периодом 90 мин осложняется еще и тем,
что во время сна содержание 17-оксикортикостероидов в плазме обычно
увеличивается. Таким образом, 90-минутные циклы требуется выявить
на фоне общего подъема кривой содержания гормонов, особенно заметного-
к концу ночи.
Повышение содержания 17-оксикортикостероидов в плазме, сопрово-
ждавшееся эндогенной эозинопенией, предшествует обычному времени
пробуждения. Недавно было показано, что эта закономерность наблюдается
и у здоровых людей. Пробы крови в этом случае брали через введенный
в вену постоянный катетер, так что сон при этом не нарушался (что под-
тверждают и данные ЭЭГ). Последние работы Франка, Харнера, Мэтьюза
и автора, а также более ранняя работа Энгеля (см. также А. М. A. Arch.
Neurol, a. Psych., 69; 462, 1953) еще более утверждают нас в предположе-
нии, что циркадный цикл надпочечников у человека не является прямой
«реакцией» на экзогенное раздражение, а связан с общей функцией эндо-
кринной системы организма.
Второе замечание д-ра Шапиро касается лекарственной терапии.
Менцель в 1953 г. сконструировал специальное приспособление, которое-
позволяет постепенно увеличивать или уменьшать дозу препарата в соот-
ветствии с ритмами чувствительности организма (Acta Med. Scand. Suppl.,
307, 115—116 (1953)). Для некоторых определенных заболеваний начинание-
Менцеля представляется весьма перспективным; но окончательное мнение-
можно будет составить лишь после того, как будут получены эксперимен-
тальные доказательства значительных преимуществ использования такого
прибора перед обычными способами введения препаратов. В настоящее
время наиболее пригодными методами для проверки достоинств лечения,
коррелированного во времени с ритмами чувствительности, считаются
методы косвенного анализа периодичности (стр. 484). Применение послед-
них уже наглядно показало, что меняющаяся во времени дозировка лекар-
ственных веществ чувствительно влияет на вероятность смертельного1
исхода (см. также обсуждение ритмов чувствительности). Как бы то ни
было, здесь необходима крайняя осторожность.
Прежде чем данные о ритмах чувствительности применять в клинике,
следует тщательно изучить характер циркадных колебаний терапевтиче-
ской широты (отношение терапевтической дозы к токсической) наиболее
распространенных лекарственных препаратов. Имеющиеся данные позво-
ляют пока лишь определять средние летальные дозы в соответствии со ста-
диями ритма чувствительности — эти стадии в свою очередь должны опре-
деляться в условиях строгой синхронизации с внешним распорядком.
Поэтому можно говорить о максимальной летальной дозе (LD50) для пика
ритма чувствительности и о минимальной (LD50), соответствующей минимуму
ритма. Выражая токсичность того или иного препарата величиной LD50,
следует учитывать не только вид, пол и возраст животного, как это при-
нято ныне в фармакологии, но и фазу ритма чувствительности.
Замечание д-ра Шапиро по проблемам лечения, коррелированного
во времени с ритмами чувствительности, имеет прямое отношение к тем
предписаниям, которыми врачи снабжают свои рецепты: принимать 2 раза
в день, 3 раза в день, 4 раза в день. Насколько такие предписания опти-
Временная координация физиологических функций
509
мальны, еще далеко не ясно, особенно по отношению к тем препаратам,
которые оказывают полезное действие на одни ткани, и вредное — на дру-
гие (например, на лимфоидную ткань и на костный мозг).
Между прочим, графики циркадных ритмов содержания лейкоцитов
в крови человека пбказывают, что ритмы содержания лимфоцитов и нейтро-
филов сдвинуты по фазе. Возможно, это связано с различным ритмом их
образования или поступления в кровь.
Проблема корреляции во времени приобретает особую важность в тех
случаях, когда циркадные ритмы терапевтического и токсического действия
лекарственного препарата не совпадают по фазе.
Однако существует еще одна сторона вопроса, забывать о которой
не следует, чтобы весь наш энтузиазм в конце концов не выдохся, так ска-
зать, не рассогласовался с фактами, которыми он питается. Даже после
того как необходимость в согласовании времени введения данного препарата
с ритмом организма будет строго установлена в экспериментах на живот-
ных с учетом терапевтической широты препарата, оптимальный момент
введения его в организм больного может быть определен только в том слу-
чае, если циркадная система больного согласована или поддается согласо-
ванию с тем или иным внешним режимом.
Для больных, ритм которых не поддается синхронизации, следует,
вероятно, выяснить, нельзя ли согласовать время приема лекарственных
препаратов с каким-либо легко измеряемым собственным ритмом, напри-
мер с ритмом ректальной температуры, поскольку в этом случае согласо-
вание с определенным временем суток совершенно бессмысленно.
Т. ХЕЛЬБРЮГГЕ
Развитие циркадных ритмов у детей
о
Уже давно известно, что суточные ритмы таких физиологических функ-
ций человека, как температура тела [1, 2], сон и бодрствование [3, 4] и под-
вижность [4], начинают проявляться только после рождения человека.
На этом основании можно было бы предположить, что 24-часовой ритм
возникает в растущем организме только под влиянием окружающих усло-
вий. Но есть и другая возможность — что некоторый внутренний ритм,
существующий в организме уже до рождения, постепенно синхронизируется
при помощи каких-то внешних синхронизаторов [5], или датчиков вре-
мени [6].
Для того чтобы выяснить эту и ряддругих проблем развития 24-часовой
периодичности у человека, мы провели в течение последних лет система-
тическое комплексное исследование развития суточных ритмов различных
функций организма.
Прежде чем предоставить вам эти результаты, я хотел бы отметить три
основных факта.
1. В отличие от детенышей человекообразных обезьян дети человека:
рождаются не вполне развитыми.
2. Для появления циркадного ритма необходима полностью развитая
нервно-гуморальная система и функциональная полноценность соответ-
ствующих органов.
3. Каждый суточный ритм связан с полностью функционирующим орга-
ном восприятия, через который воспринимаются различные синхронизи-
рующие эффекты датчика времени.
Для исследования суточных ритмических изменений различных функ-
ций мы применяли метод, которым пользуются также другие авторы для
тех же целей. Для каждых суток определяли среднее значение различных
функций у каждого ребенка и результаты измерений, произведенных в раз-
ное время суток, выражали как отклонение от среднего (в процентах), после
чего определяли величину стандартного (среднеквадратичного) отклонения.
С помощью этого способа были получены усредненные кривые, позволяю-
щие получить общее представление о суточных периодических изменениях
различных функций в течение длительных промежутков времени. Статис-
тическую оценку значимости различий проводили на основании %2-критерия.
О физиологических функциях в предродовой период почти ничего
неизвестно. К числу немногих сведений, которые у нас есть, относятся дан-
ные по частоте сердечных сокращений. Мы провели обследование 12 здоро-
вых беременных женщин [7, 8]. Частоту пульса женщин и ритм сердца плода
Развитие циркадных ритмов у детей
511
определяли каждые 2 час днем и каждые 3 час ночью на 8—10-м месяцах
беременности.
Результаты представлены на фиг. 1. Частота пульса беременных жен-
щин дает типичный 24-часовой ритм. В 9 час. утра и 7 час. вечера наблю-
даются два пика, а ночью, между 9 час. вечера и 7 час. утра, частота сильно
понижена. В то же время у плода частота сердечных сокращений более
или менее одинакова днем и ночью; в среднем она равна 133 (±5) ударов
Фиг. 1. Суточные изменения частоты сердечных сокращений
у ребенка (/) и матери (77) во время последнего месяца бере-
менности.
в минуту на 8-м и 9-м месяце и 129 (±6) ударов в минуту на 10-м месяце
беременности.
Для того чтобы проследить развитие суточных периодических изме-
нений частоты пульса, мы провели большое исследование [9, 10], в котором
было проанализировано 627 суточных ритмов у 96 детей. Прежде всего
мы хотели выяснить, проявляется ли этот ритм в первые дни после рожде-
ния, и если да, то на какой именно день. Результаты наших исследований
для первой недели после родов приведены на фиг. 2. Они показали, что
отклонения частоты пульса от средней величины имеют случайный характер
как днем, так и ночью. Такие же результаты были получены при обследо-
вании младенцев в возрасте 2—3 недель (фиг. 3). Таким образом, в этот
период выявить у младенцев различия между дневной и ночной частотой
пульса нельзя.
Суточные периодические изменения частоты пульса можно обнаружить
лишь начиная с 6-й недели. Как показывает фиг. 4, частота пульса
512
Т. Хельбрюгге
Фиг. 2. Суточные изменения частоты пульса в течение
первой недели жизни.
1 — IV — 2, 3. 6 и 8-й дни жизни соответственно.
у 6—18-недельных младенцев ночью ниже, чем днем. Статистическая оценка
показала достоверность различий между максимальными и минимальными
значениями этой величины. У 5—8-месячных детей различие выражено
еще более отчетливо.
Развитие циркадных ритмов у детей
513
Дальнейшее увеличение интенсивности этих дневных пиков и замедле-
ние сердцебиений ночью видно на кривой, соответствующей возрасту 11—
21 месяц. Здесь между величинами, определенными во вторую половину
Время суток
Ф и г. 3 Суточные изменения частоты пульса
в течение 1, 2 и 3-й недели жизни.
На графиках указано число обследованных детей (чи-
слитель) и суммарное число суток, затраченных на об-
следование всех детей (знаменатель).
Днем наблюдается два пика: утром, между 7 и И час. утра, и вечером,
между 3 и 5 час. Между этими пиками имеется понижение около 1 часа
дня, когда частота пульса достигает лишь средней дневной величины.
Во вторую половину первого года жизни мы обнаруживаем уже отчетливо
выраженный суточный ритм; в последующие годы этот ритм все более при-
ближается к 24-часовому ритму сердца у взрослых.
Увеличение различий между частотой пульса днем и ночью никоим
образом не связано с увеличением частоты в дневные часы; оно вызывается
исключительно понижением ее в ночные часы (от 120 в минуту на 5—8-м
месяце жизни до 100 в минуту на 11—21-м месяце).
Крайне интересно, что ночное снижение частоты пульса всегда начи-
нается в определенное время суток. Как видно из фиг. 4, у всех обследован-
ных возрастных групп частота пульса, определенная в 5 час. вечера, еще
превышает среднюю суточную величину. Одновременное начало ночного
понижения и более резкое проявление ночного минимума обусловливает
514
Т. Хельбрюгге
Фиг. 4. Развитие суточного ритма изменений частоты
пульса до 21-го месяца жизни.
См. ПОДПИСЬ К фиг. 3.
удлинение периода пониженных ночных величин. Вследствие этого утрен-
нее повышение частоты пульса достигает среднесуточной величины все
позднее и позднее. Например, у 6—18-недельных младенцев это происходит
приблизительно между 1 и 3 час. ночи, у 5—8-месячных младенцев — между
3 и 5 час. утра и у маленьких детей — между 5 и 7 час. утра.
Юндель [1] получил аналогичные результаты, касающиеся развития
суточного ритма температуры тела. Этот автор, работавший в детской кли-
Развитие циркадных ритмов у детей 515
нике в Стокгольме, определял ректальную температуру у 100 детей, воз-
растом до 5 лет, через каждые 4 час в течение нескольких дней. Поскольку
в его оригинальной работе приведены все исходные данные, мы без труда
рассчитали средние величины и их колебания у различных возрастных
Фиг. 5. Развитие суточного ритма изменений температуры
тела до 4-го месяца жизни [1].
См. подпись к фиг. 3.
групп и можем, таким образом, продемонстрировать суточный ритм тем-
пературы тела.
Как видно из фиг. 5, вплоть до третьей недели после рождения прак-
тически никаких различий в температуре тела днем и ночью нет. Впервые
можно наблюдать более высокую температуру тела днем и более низкую —
ночью у группы младенцев возрастом 4—9 недель. Еще более отчетливо
эта разница наблюдается в возрастной группе 10—16 недель.
Увеличение амплитуды происходит в основном за счет понижения
ночной температуры тела [1, 11]. Совершенно так же, как и в случае ритма
сердца, постепенное углубление и расширение ночного минимума ведет
к сдвигу времени утреннего повышения температуры вправо.
В дополнение к данным Юнделя [1] мы приводим на следующем гра-
фике (фиг. 6) наши данные, полученные на школьниках [12] и взрослых [13].
Здесь также без труда можно различить аналогичный сдвиг вправо: самая
низкая ночная температура, после которой по мере приближения утра начи-
нается постепенное повышение, наблюдается у 2—3-месячных детей в 9 час.
516
Т. Хельбрюгге
вечера, у 6-месячных — в 11 час. вечера, у 2—5-летних детей — в 3 часа
ночи, у 10—14-летних — в 5 час. утра и у взрослых — в 7 час. утра.
Рассмотрим теперь развитие ритма сна и бодрствования. Первые иссле-
дователи этого вопроса Клейтман и Энгельман [4] провели наблюдения
на группе детей возрастом от 3 до 26 недель. Их результаты приведены
105
100
ск___________________________
7 9 11 13 15 17 19 21 23 1 3 5
105
100
qq____________________________________
5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 1 3 5
105
100
95 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 1 3 5
£110
I 105
iioo
>7— >» —ч
1 1 1 rSsScr--n 1 1 1— ___| 1
4-9 дней
/70

L-J 1 1 1— 1 Iх! Г\
4-5 недель
/37
Я1 2-3 месяца
/82
X
6-месяцев
/36
ts
5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 / 3 5
2-5лет
/13
I 90
110
105\-
100
95
90
5 7 9 11 13 15 17 19 2123 1 3 5
110-----------------------------------
105
100
95 h
90
5 7 9 11 13 15 1719 21 23 1 3 5
НО
105
100
95
90
5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 1 3 5
10-14 лет
/44
Взрослые
Время суток
В
Е
(X

5
Е
I
Фиг. 6а Развитие суточного ритма изменений температуры
тела [1, 12, 13].
См. подпись к фиг. 3.
на фиг. 7, из которой видно, что некоторые намеки на существование опре-
деленной асимметрии в дневном и ночном распределении времени между
сном и бодрствованием можно заметить уже на 3—6-й неделе после рождения.
Намечающееся к этому времени увеличение вероятности сна в ночное время
становится более ярко выраженным к 18-й неделе. Но в то время как вероят-
ность сна в ночное время, достигающая максимума в период от 11 час.
вечера до 5 час. утра, в этом возрасте уже стабилизируется, величина
Развитие циркадных ритмов у детей
517
максимума вероятности бодрствования в дневное время увеличивается
вплоть до 26-й недели.
Нам казалось чрезвычайно интересным изучить развитие ритма сна
и бодрствования в более широком возрастном интервале, чем это было сде-
лано в работе Клейтмана [4]. С этой целью мы провели широкое обследо-
вание детей в возрасте от 1 дня до 15 лет [14]. Методом случайной выборки
мы наблюдали распределение сна и бодрствования у 199 детей в течение
1104 дней с 2-часовыми интервалами днем и ночью.
Время суток
Фиг. 7. Развитие ритма сна и бодрствования в первой половине
первого года жизни [4].
На фиг. 8, А приведены полученные нами результаты для 1-й недели
жизни. Поскольку решающее влияние на сон младенцев оказывает время
кормления, часы кормления отмечены стрелками.
В первую неделю после рождения доля бодрствующих младенцев отно-
сительно мала и ночью и днем. За исключением 5 час. вечера и 3 час. утра,
все остальное время более 50% всех новорожденных погружено в сон.
Если бы существовала 24-часовая периодичность, то можно было бы ожи-
дать, что число случаев бодрствования было бы больше в дневное время
518
Т. Хельбр ю гге
и меньше — в ночное. Однако оказалось, что это совсем не так. Число слу-
чаев бодрствования даже в ночные часы, между 7 час. вечера и 5 час. утра,
по сравнению с числом их в дневное время (7 час. утра — 7 час. вечера)
Фиг. 8. Суточное изменение относительного
числа бодрствующих младенцев (Л) [14] и их
подвижности (5) [15] в течение первой недели
жизни при указанной (стрелками) схеме кормления
статистически значимо. Возможно, это объясняется длинным интервалом
между ночными кормлениями, между 8 час. вечера и 6 час. утра. В тече-
ние ночи ребенок проявляет все большее беспокойство из-за чувства голода.
Только после утреннего кормления ребенок успокаивается, о чем говорит
и небольшое число пробуждений в это время (20%).
Данные Ирвина [15] (фиг. 8, Б) можно считать подтверждением уси-
ливающегося беспокойства ребенка из-за чувства голода и успокоения после
утоления голода. В этих опытах все окружающие условия, кроме времени
кормления, оставались постоянными. В те часы, когда дети получали пищу
(каждые 3 час), их подвижность оставалась постоянной и очень небольшой.
Однако в период, когда дети были голодны, они с каждым часом проявляли
все большее беспокойство, и это проявление чувства голода не прекра-
щалось вплоть до получения пищи в 6 час. утра.
Развитие циркадных ритмов у детей
519
Доминирующее влияние кормления на распорядок сна у младенцев
в возрасте до 2—3 недель показано на фиг. 9. В отличие от новорожденных
дети этого возраста получали пищу в 9 час. вечера и 3 часа утра. При таком
hlillUJIIli
60
100
80
100
80
iiniLJ
2~3недепи
7/46
м1111|пн||||
4-18 недель
26/161
60
40
20
О
5 7 9 11 13 15 17 19 21 25 1 3 5 7
Время суток
Фиг. 9. Изменения в распределении сна и
бодрствования в течение первого года жизни [14].
См. подпись к фиг. 3.
о
более равномерном распределении времени - кормления днем и ночью чув-
ство голода в ночное время не проявлялось и, кроме того, значительно уве-
личивалась частота бодрствования в течение дня. Можно предположить, что
если бы не влияние схемы кормления, периодическая смена сна и бодрство-
вания в течение суток проявлялась бы уже ко второй неделе жизни.
В следующей возрастной группе (4—18 недель) суточный ритм сна
и бодрствования выражен более отчетливо. Дневное время используется
преимущественно для бодрствования, ночное — для сна. Такой ритм раз-
вивается независимо от схемы кормления, поскольку, как мы можем видеть,
520
Т. Хе я ьб рюгге
эта схема для 2—3-недельных и для 4—18-недельных детей одинакова.
Развитие ритма сна и бодрствования видно особенно ясно по увеличиваю-
щемуся числу бодрствующих детей. Тогда как число бодрствующих
в дневное время 2—3-недельных младенцев составляет 30—50%, в группе
14—18-недельных детей эта величина возрастает до 60—80%. Только одна
величина, определяемая в 1 час дня, представляет собой исключение:
60% детей в это время спит.
Фиг. 10. Развитие суточного ритма сна и бодрство-
вания у детей в возрасте между 2 и 15 годами жизни.
См. подпись к фиг. 3 и текст.
В следующей возрастной группе (5—8 месяцев) суточный ритм развит
уже полностью. В течение дня число бодрствующих дважды доходит до
90%, а ночью наблюдаются значительно более низкие величины. Во второй
половине первого года жизни этот суточный ритм сна и бодрствования
настолько доминирует, что распределение времени кормления не имеет
никакого значения. 5—8-месячные дети вообще не получали пищи в ноч-
ное время, тогда как 4—18-недельных в это время кормили. Несмотря
на это, никакого различия между числом спящих ночью детей в этих двух
возрастных группах не отмечается. Здесь мы не приводим наших собствен-
ных данных по распределению сна и бодрствования в течение второго года
жизни. Число бодрствующих достигает 100% утром и в послеобеденные
часы и уменьшается до 30% только в полдень. В течение ночи, между 7 час.
вечера и 3 час. утра, это число минимально.
Для того чтобы получить возможность более точно анализировать раз-
витие ритма сна и бодрствования в дошкольном и школьном возрасте,
мы исследовали распределение доли бодрствующих детей на протяжении
суток в трех возрастных группах — 2—5 лет, 6—10 лет и 11—15 лет. Боль-
шинство обследованных детей находилось на постельном режиме (иммоби-
лизация) по поводу той или иной ортопедической операции. Каждую группу
разбивали на две подгруппы. Наблюдения за одной из них проводились
в четные часы дня и ночи, за другой — в нечетные. На фиг. 10 результаты
Развитие циркадных ритмов у детей
521
наблюдений над этими двумя группами обозначены черными и заштрихован-
ными колонками.
Как показало обследование, во всех трех возрастных группах наблю-
дается типичная картина суточного ритма сна и бодрствования.
В самой младшей группе можно обнаружить два дневных максимума:
один — между 6 час. утра и 12 час. дня, и второй — между 3 и 7 час. вечера.
В эти периоды доля бодрствующих достигает почти 100%. Между 8 час.
вечера и 5 час. утра дети в основном спят. Кроме того, появляется посте-
пенно увеличивающаяся потребность в сне среди дня, между 1 и 3 час. с мак-
симумом около 2 час. Эта дневная потребность в сне совершенно ясно наблю-
дается также в раннем школьном возрасте. В более старшем школьном
возрасте потребность дневного сна исчезает очень медленно. Так, например,
даже в группе детей от 10 до 15 лет 40% детей в 2 часа дня спят.
В распределении сна и бодрствования можно наблюдать тот же сдвиг
вправо, что и в суточном ритме изменения частоты пульса и температуры
тела. Этот сдвиг проявляется в том, что с возрастом дети позже просыпаются
и позже засыпают. В 6 и 7 час. утра просыпаются 100% 2—5-летних детей,
40—80% 6—10-летних и 35—70% 11—15-летних. В 8 и 9 час. вечера засы-
пают 90% 2—5-летних детей, 60—90% 6—10-летних и 20—65% 11—15-лет-
них. Таким образом, в школьные годы дети перемещают центр тяжести
с вечернего сна на утренний.
Мы попытались также выяснить, как развивается суточный ритм изме-
нения электрического сопротивления кожи [16—18]. Воспользовавшись
методом, предложенным Рутенфранцем [19] (измерение сопротивления
кожи при посредстве постоянного тока напряжением 2 в), мы обследовали
70 детей, измеряя у них каждые 2 час, днем и ночью, в течение 350 дней
сопротивление кожи на поверхности ладони.
Как показывает фиг. 11, в первую неделю после рождения величины
сопротивления мало отклоняются от среднесуточной величины. Однако
даже в этот ранний период можно видеть небольшое различие между днев-
ными и ночными величинами: сопротивление кожи в период от 7 час. вечера
до 1 часа ночи ниже среднесуточных величин, причем это различие статис-
тически значимо. Согласно этим данным, можно говорить о существовании
суточного ритма электрического сопротивления кожи уже в первую неделю
жизни. В последующие месяцы амплитуда колебаний сопротивления кожи
постепенно увеличивается.
К концу первого года жизни на кривой, характеризующей изменение
сопротивления в разное время суток, начинают вырисовываться два макси-
мума (фиг. 12). Особенно хорошо они выражены у 4—7-летних детей, у кото-
рых наблюдаются два максимума, один в 7 час. утра и второй — в 3 часа
дня. Особенно заметно ночное понижение сопротивления кожи в возрасте
от 7 до 14 лет. Рутенфранц [19] показал, что в суточном ритме изменения
сопротивления кожи у взрослых имеются 2 дневных максимума: в 9 час.
утра и в 7 час. вечера и два минимума: около 1 часа дня и ночью между
11 час. ночи и 7 час. утра.
Постепенный сдвиг ритма вправо, уже описанный в связи с другими
функциями, наблюдается и в процессе развития суточных колебаний элек-
трического сопротивления кожи. Увеличиваясь после ночного минимума,
сопротивление достигает среднесуточной величины в 10—12-месячном воз-
расте между 11 час. вечера и 1 час. ночи, в возрасте от 4 до 14 лет — между
3 и 5 час. утра и у взрослых людей — между 5 и 7 час. утра.
Наши данные по сопротивлению кожи на втором году жизни де-
тей мы не приводим, так как в этой возрастной группе нам не удалось
522
Т. Хельбрюгге
обнаружить какой-либо периодичности. Возможно, такой отрицательный
результат объясняется тем, что вследствие чрезвычайной подвижности детей
в этом возрасте у них происходит усиленное потоотделение, так что ве-
личины сопротивления кожи отражают преимущественно функционирова-
ние потовых желез и одинаковы днем и ночью.
У 7 9 11 13 15 17 19 21 23 1 3 5 7
Время суток
1 неделя
13/65
2-3 недели
4/19
4-18 недель
16-87
19 недель-9/г месяцев
10/50
Фиг. 11. Развитие суточного ритма изменения электрического
сопротивления кожи у детей в первый год жизни.
См. подпись к фиг. 3.
Мы проследили также развитие суточного ритма для различных функ-
ций почек [20—24]. Пробы мочи собирали и анализировали через каждые
4 час днем и ночью у 50 детей в течение 280 дней. Для характеристики раз-
вития суточного ритма мы выбрали два показателя: количество мочи (диу-
рез) и выведение калия и натрия. Первый показатель — количество мочи —
характеризует работу клубочков, второй — выведение К и Na — работу
почечных канальцев.
На фиг. 13 показано, как развивается суточный ритм изменений коли-
чества мочи. Можно видеть, что в течение первой недели после рождения
количество мочи остается более или менее постоянным, составляя 8—15 мл
за 4 час и в дневное и ночное время. В течение второй и третьей недель впер-
вые наблюдается повышение диуреза между 2 час. дня и 6 час. вечера.
Развитие циркадных ритмов у детей
523
Начиная с четвертой недели и дальше, суточный ритм выражен уже вполне
отчетливо: величины диуреза между 2 час. утра и 6 час. вечера значительно
выше, чем между 6 час. вечера и 2 час. утра, независимо от времени корм-
ления детей (указано стрелками).
Во второй половине первого года жизни изменение количества мочи
следует тому же ритму, несмотря на изменение схемы кормления детей.
5 7 9 11 13 15 17 19 2123 1 3 5 7
Время суток
Ф и г. 12. Развитие суточного ритма изменения электрического
сопротивления кожи у детей и взрослых.
См. подпись к фиг. 3.
На втором году жизни на кривых диуреза отчетливо вырисовываются два
максимума, один из которых лежит между 6 и 10 час. утра, другой — между
2 час. дня и 6 час. вечера. Самая низкая ночная величина наблюдается
между 6 и 10 час. вечера.
В отличие от количества мочи, изменение которого обнаруживает пер-
вые признаки суточной ритмичности уже на 2-й и 3-й неделе после рожде-
ния и полноценную ритмичность, начиная с 4-й недели жизни, в выведении
калия и натрия не удается обнаружить никаких ритмических изменений
до конца 2-го месяца жизни (фиг. 14). Вплоть до 8-й недели с мочой
524
Т. X е ль б р ю г г е
выводится чрезвычайно мало калия и натрия — 0,2—0,8 мэкв калия и
0,1-—0,5 мэкв натрия.
В возрасте 3—5 месяцев эта картина меняется. Между 2 час. ночи
и 2 час. дня калия выводится значительно больше, чем между 2 час. дня
Время суток
Фиг. 13. Развитие суточного ритма диуреза в первые два
года жизни.
См. подпись к фиг. 3.
и 2 час. ночи (фиг. 14, Л) при той же схеме кормления, что и раньше. Ясно
видно, что амплитуда колебаний возрастает более чем в 5 раз.
В той же возрастной группе можно в первый раз наблюдать и различие
в выведении натрия в разное время суток. Максимальная величина наблю-
дается в период между 2 час. ночи и 2 час. дня, а минимальная — между
2 час. дня и 10 час. вечера.
Развитие циркадных ритмов у детей
525
Таким образом, можно заключить, что суточный ритм диуреза, зави-
сящего от функции клубочков, начинает проявляться несколько раньше,
чем ритм выведения солей, связанного с функцией почечных канальцев.
Рассматривая развитие суточного ритма различных физиологических
функций, можно отметить еще один момент. К сожалению, у нас нет соб-
ственных данных на эту тему. Однако целый ряд исследований [3, 4, 25, 26]
А
Б
|
1 ♦ ♦ i —ь. +

ко
0.5
°24 4 8 12 16 20 24 4
Ко/ПНество калия или яатприя,вывёЪеииого за 4 час, мэкв
1.0
05'Б
+
♦
♦
24 4 8 12 16 20 24 4
1,0
0,5>
3.0
2,0
1,0
О _____________
24 4 8 12 16 20 24 4
4,0
3,0
2,0
1,0
О
40‘
i.
30 -
2,0
.24 4 8 12 16 20 24 4
♦
♦
12 16 20 24 4
1,0 -
о
24 4 8
16 20 24 4
Т
4—7

+
Фиг. 14.
Время суток
Развитие суточного ритма выведения калия (4 и натрия (Б) с мочой
у детей в возрасте до 7г/2 месяцев
См. подпись к фиг 3.
показывает совершенно определенно, что двухфазный ритм всех физиоло-
гических функций у доношенных детей и взрослых людей развивается из
многофазных ритмов в период раннего детства.
Бюлер и Хетцер [25] в ходе своих исследований распределения сна
и бодрствования в первые недели после рождения нашли, что новорожден-
ные спят только очень короткие периоды времени, несмотря на большое
526
Т. Хельбрюгге
Число и наибольшая длительность периодов сна в первый год жизни [25]
Возраст, месяцы Наибольший период непрерывного сна Число периодов сна Возраст, месяцы Наибольший период непрерывного сна Число периодов сна
1 3 час 40 мин 7 9 час 10 мин
1 3 час 41 мин 1 } 12 8 8 час 40 мин | 7
2 4 час 52 мин 9 9 час 30 мин
3 6 час 13 мин J 10 8 час 44 мин
4 6 час 01 мин 11 10 час 00 мин J 6
5 5 час 12 мин } И 12 9 час 29 мин
6 5 час 54 мин
желание спать. Наиболее длинный период непрерывного сна равен 3, 4 час;
большинство же детей не спит так долго. Как показывает таблица, в тече-
ние первых трех месяцев наблюдается в среднем 12 периодов сна, распре-
деленных более или менее равномерно между дневным и ночным временем.
В последующие месяцы наибольший непрерываемый период сна медленно
увеличивается и соответственно уменьшается число периодов. К концу пер-
вого года жизни можно зарегистрировать только 6 периодов сна, и дети
уже могут в это время спать 10 час подряд.
Полночь Полдень Полночь
О » 2 3 4 5 6 7 3 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24
• 1 >“ "1 1 г ~ 1 1-1--1--'--1--Ч--1--1-1--1--1 — 1->--1-1--1--,-»
4 недели
»М1 МИ ОШ I I KK'UK I 1 Г I » I
16 недель
ШШШШКИ Ш 1 HI I I I
40 недель
52 недели
Бодрствование Г
15. Распределение сна и бодрствования
в различные периоды первого
в течение 24 час у ребенка S
года жизни [3].
Сон
Фиг
Аналогичные данные получил Гезелл 13], изучая поведение ребенка S.
Этого ребенка кормили тогда, когда он был голоден, и разрешали спать
тогда, когда он сам уставал. Для кормления его не будили. Перепелены-
вали его только тогда, когда он проявлял беспокойство из-за влажных
пеленок. Его резвлекали тогда, когда он этого хотел. Он должен был жить
не по определенному плану, а согласно каким-то своим собственным внут-
ренним часам, которые указывали на появление различных органических
потребностей. На фиг. 15 показано распределение сна (заштриховано)
Развитие циркадных ритмов у детей
527
и бодрствования (белая область) у этого ребенка в течение первого года
жизни. В четырехнедельном возрасте ребенок имел 6 периодов сна, в конце
первого года — только 4.
Многофазный ритм сна и бодрствования сменяется на двухфазный
между 16-й и 21-й неделями. Особенно четко это показано наблюдениями
Клейтмана и Энгельмана [4]. Эти авторы точно отмечали распределение
времени сна и бодрствования и времени принятия пищи у ребенка, находя-
щегося на свободном режиме питания с 11-го до 182-го дня.
На фиг. 16 черные отрезки обозначают периоды сна, разрыв между
ними — состояние бодрствования, точки — время кормления. Слева указа-
ны номера недель, справа — время в процентах, потраченное на сон в тече-
ние соответствующей недели. Уже с первого взгляда ясно, что вплоть до
8-й недели периоды сна и бодрствования беспорядочно распределены в тече-
ние дня и ночи. Начиная с 9-й недели, состояние бодрствования наблю-
дается преимущественно во второй половине дня и в вечерние часы. Начи-
ная с 16-й недели, многофазный ритм сна и бодрствования сменяется на
двухфазный суточный ритм.
Особенно интересно следующее наблюдение Клейтмана и Энгель-
мана [41. «Этот ребенок начал приспосабливаться к среде с 25-часовой
периодичностью. С середины 18-й до конца 25-й недели установился постоян-
ный распорядок более длинных периодов сна, соответствующий правиль-
ной 24-часовой периодичности, т. е. астрономическим суткам».
Это наблюдение показывает, что у людей, так же как у определенных
видов животных, сначала существует некоторый спонтанный ритм, который
позднее синхронизируется с естественным 24-часовым циклом чередования
света и темноты.
Наконец, мы хотели бы коснуться вопроса, развивается ли 24-часовой
ритм у людей исключительно под влиянием внешних синхронизирующих
факторов. Сравнивая ритмы сна и бодрствования и изменения частоты
пульса у недоношенных детей и у детей, родившихся в срок, мы нашли,
что у недоношенных детей суточный ритм обеих функций развивается
позже. Это свидетельствует о том, что для развития суточного ритма экзо-
генные факторы имеют меньшее значение, чем завершенность процессов
внутриутробного развития. В противном случае у недоношенных младен-
цев и у нормальных новорожденных, родившихся одновременно, т. е. нахо-
дящихся одно и то же время под влиянием внешних синхронизаторов, суточ-
ный ритм должен был бы развиваться одновременно.
Сопоставление всех приведенных выше экспериментальных данных
позволяет установить некоторые закономерности развития 24-часового
ритма у маленьких детей.
1. Различные физиологические функции формируют свой суточный
ритм независимо друг от друга.
2. Суточные ритмы различных функций начинают проявляться в раз-
ные сроки после рождения.
3. В процессе развития суточного ритма амплитуда колебаний всех
физиологических функций увеличивается.
4. Увеличение амплитуды происходит в одних случаях за счет повы-
шения верхнего предела колебаний — в дневные часы, в других — за счет
понижения нижнего предела в ночные часы [27].
5. Почти у всех исследованных функций ночное снижение начинается
между 5 и 7 час. вечера.
6. По мере расширения области низких ночных величин в процессе
развития утреннее повышение начинается во все более позднее время.
I • • I • • I » » I I « I
24 2 4 6 8 10 12 H 16 18 20 22 24
Время суток
Фиг. 16. Распределение сна, бодрствования и кормления у ребенка,
наблюдавшегося с ll-годо 182-го дня жизни [4].
Черные отрезки — сон, разрыв между ними — бодрствование, точки — кормление.
Развитие циркадных ритмов у детей
529
7. По-видимому, у человека двухфазный ритм развивается из много-
фазного, скорее всего 25-часового ритма [4].
8. Существенное значение для развития суточного ритма имеет завер-
шенность процессов внутриутробного развития ребенка. У недоношенных
детей суточная периодичность развивается позднее, чем у детей, родив-
шихся в срок.
ЛИТЕРАТУРА
1. J u п d е 1 1 J., Ober die nykthemeralen Schwankungen im 1. Lebensjahre des
Menschen, Jb. Kinderhk., 59, 521—619 (1904).
2. Gofferje F., Dia Tagesschwankungen der Korpertemperatur beim gesunden
und kranken Saugling, Jb. Kinderhk., 68, 129—190 (1908).
3. Ge.sell A., Infant and Child in the Culture of Today, Yale University Press,
1943.
4. К 1 e i t m a n N., Engelmann Th. G., Sleep characteristics of infants,
J. Appl. Physiol., 6, 269—282 (1953).
5. Halberg F., V i s s c h e r M. B., B[i t t n e r J. J., Relation of diurnal factors
to eosinophil rhythm in mice, Amer. J. Physiol., 179, 229—235 (1954).
6. Aschoff J., Die 24-Stunden-Periodik der Maus unter konstanten Umgebungsbe-
dingungen, Naturwiss., 38, 506—507 (1951).
7. Biersack G., Ober die Pulsfrequenz des Kindes wahrend und nach der Geburt.
Dissertation. Munchen, 1958.
8. J e i t e r B. (im Erscheinen). Untersuchungen fiber das Verhalten der Pulsfrequenz
des Kindes und der Mutter wahrend der letzten Schwangerschaftsmonate. Dis-
sertation Munchen.
9. Lange J. F., Ober die Entwicklung einer Tagesperiodik verschiedener Korperfun-
ktionen unter besonderer Beriicksichtigung der Pulsfrequenz, der Schlaf-
Wachverteilung und der Korpertemperatur. Dissertation Munchen, 1957.
10. Hellbriigge Th., Lange J., Rutenfranz J., Ober die Entwicklung
von tagesperiodischen Veranderungen der Pulsfrequenz im Kindesalter. Zschr.
Kinderhk., 78, 703—722 (1956).
11. Aschoff J., Der Tagesgang der Korpertemperatur beim Menschen, Klin. Wschr.,
33, 545—551 (1955).
12. S e i d 1 E. C., Ober tagesrhythmische Veranderungen der Korpertemperatur im
Kindesalter. Dissertation Munchen, 1958.
13 Benedikt F. G., Snell J. F., Korpertemperaturschwankung mit besonderer
Beriicksichtigung auf den EinfluB, welchen die Umkehr der taglichen Lebensgewohn-
heit beim Menschen ausiibt, Pfliigers Arch. Physiol., 90, 33—72 (1902).
14. Hellbriigge Th., Lange J., Rutenfranz J., Schlafen und Wachen
in der kindlichen Entwicklung (Untersuchungen fiber die zeitlichen und tages-
zeitlichen Verschiebungen des Schlafes). Beihefte zum Arch. Kinderhk. № 39,
Enke Verlag. Stuttgart, 1959.
15. Irwin О. C., The amount and nature of activities of newborn infants under constant
external stimulating conditions during the first ten days of life, Genet. PsycHoI.
Monogr., 8, 1 (1930).
16. Rutenfranz J., Hellbriigge Th., Niggeschmidt W., Ober die
Tagesrhythmik des elektrischen Hautwiderstandes bei 11 jahrigen Kindern, Zschr
Kinderhk., 78, 144—157 (1956).
17. S t о t z S. (in Vorbereitung). Untersuchungen fiber die Entwicklung des elektri-
schen Hautwiderstandes bei jungen Kindern. Dissertation Munchen.
18. Niggeschmidt W., Ober die Tagesrhythmik des elektrischen Widerstandes
der Haut bei Kindern. Dissertation Miinchen, 1958.
530
Т. Хелъбрюгге
19. Rutenfranz J., Zur Frage einer Tagesrhythmik des elektrischen Hautwider-
standes beim Menschen, Internal. Z. angew. Physiol, einschl. Arbeitsphysiol.,
16, 152—172 (1955).
20. Stehr K-, Zur Physiologic verschiedener Nierenfunktionen beim jungen Saugling.
Vortrag Siidwestdeutscher KinderkongreB in Saarbriicken 12.6.60 (im Erscheinen)
(1960).
21. F u n с к H., Die renale Ausscheidung von Natrium bei Neugeborenen und Sauglin-
gen. Dissertation Munchen, 1960.
22. H e n s e 1 m a n n M. (in Vorbereitung). Uber Veranderungen der Wasser- und
Chlorausscheidung sowie der Wasserstoffionenkonzentration im Verlauf der
kindlichen Entwicklung. Dissertation Munchen.
23. H о h a u s H., Die renale Ausscheidung von Kalium bei Neugeborenen und Saug-
lingen. Dissertation Munchen, 1960.
24. Kathan K-, Ober Veranderungen der Kreatin-, Kreatinin-, und Phosphataus-
scheidung im Verlauf der kindlichen Entwicklung. Dissertation Munchen, 1960.
25. Buhler Ch., H e t z e r H., Inventar der Verhaltensweisen des ersten Lebens-
jahres. Verlag G. Fischer, Jena, 1927.
26. Aserinsky E., Kleitman N., A motility cycle in sleeping infants as mani-
fested by ocular and gross bodily activity. J. Appl. Psychol., 8, 11 —18 (1955).
27. A s c h о f f J., Aktivitatsmuster der Tagesperiodik. Naturwiss., 44, 361—367
(1957).
ОБСУЖДЕНИЕ ДОКЛАДА
Ашофф. Данные, представленные д-ром Хельбрюгге, согласуются,
по-видимому, с одной из частей сформулированного мной правила, касаю-
щегося циркадных ритмов (стр. 38). Период ритма для большинства иссле-
дованных функций развивается за счет все большего понижения нижнего
предела колебаний, т. е. за счет увеличения фазы покоя и уменьшения
фазы активности. В соответствии с правилом такое уменьшение а : р должно
сопровождаться понижением «уровня» колебаний, который может быть
измерен по потреблению кислорода. Хорошо известно, что уменьшение
интенсивности метаболизма действительно очень ярко выражено в тече-
ние первого года жизни.
М. Л О Б Б А Н
Затягивание1 циркадных ритмов
у человека
о
ВВЕДЕНИЕ
Существование физиологических циркадных ритмов и ритмов, обла-
дающих более длинными периодами (например, половые циклы у многих
видов), во всем растительном и животном мире сейчас общепризнано.
В последние годы значительно повысился интерес к тем факторам, с кото-
рыми связано возникновение и устойчивость 24-часовых ритмов, в связи
с чем появилось огромное число новых работ из совершенно различных
областей биологии. Однако из обзоров этих работ (см., например, [1, 2])
очевидно, что, хотя биологические ритмы интенсивно изучаются как в есте-
ственных условиях, так и в лаборатории, заключения, выводимые на осно-
вании всех этих наблюдений, зачастую противоречивы и требуют дальней-
шей проверки. Локализация и природа «физиологических часов» еще далеко
не ясны, как не ясна и роль окружающей среды в возникновении, поддер-
жании и изменении наблюдаемых ритмов.
Наблюдения над циркадными ритмами у животных в естественных
условиях создают впечатление, что эти ритмы находятся в большинстве
случаев под непосредственным контролем окружающей среды, и что одни
факторы окружающей среды — в особенности правильное чередование
света и темноты в течение суток — оказывают гораздо большее влияние,
чем другие. Однако лабораторные исследования показывают, что к этому
впечатлению следует относиться с чрезвычайно большой осторожностью
и что всем видам животных присущи, по-видимому, так называемые эндо-
генные ритмы, сохраняющиеся в течение длительного времени даже в тех
случаях, когда нормальные суточные колебания окружающей среды искус-
ственно нарушены. Изучение взаимодействия различных периодически
изменяющихся факторов внешней среды с эндогенными устойчивыми рит-
мами, определяющего поведение низко организованных животных, пред-
ставляет собой интереснейшую проблему общей физиологии. В применении
к человеку эта важная проблема становится еще более сложной, но вместе
с тем она непосредственно связывается с нашей повседневной жизнью.
Основные физиологические проблемы регуляции циркадных ритмов
можно исследовать в трех направлениях: 1) точное, планомерное, длитель-
ное наблюдение за поведением определенного вида в его обычном естествен-
ном окружении; 2) изменение условий внешней среды и, наконец, 3) изме-
нение внутренней среды самого организма. Первое из этих направлений
само по себе никогда не даст возможности полностью решить проблему цир-
кадных ритмов; однако оно может дать ценнейшие сведения об основной
1 Объяснение термина «затягивание» см. на стр. 60.— Прим. ред.
532
М. Л о б б а н
линии нормального поведения экспериментального животного и тем самым
указать на те факторы внешней среды, которые имеет смысл изучать более
детально наряду с общими наблюдениями. Второе направление по суще-
ству представляет собой способ упрощения сложной основной проблемы:
идея его состоит в том, что на некоторый период исключаются все перемен-
ные факторы внешней среды и затем эти факторы вводятся вновь один за
другим, так что их действие на экспериментальное животное может быть
изучено в чистом виде. Это очень трудный подход, но полученные с его
помощью результаты вознаграждают исследователя, так как позволяют
ему не только оценить относительную важность каждого фактора, но и уста-
новить природу (экзогенную или эндогенную) самих ритмов. Наконец,
изменение внутреннего состояния организма хирургическим или химиче-
ским путем позволяет выяснить локализацию и природу «физиологических
часов», управляющих циркадными ритмами. В опытах, относящихся к пер-
вым двум направлениям, в качестве экспериментального объекта можно
использовать человека; в опытах же, сопряженных с изменением внутрен-
них условий, мы вынуждены ограничиваться более низко организованными
животными.
ИССЛЕДОВАНИЕ НЕКОТОРЫХ ЦИРКАДНЫХ РИТМОВ
У ЧЕЛОВЕКА
Наиболее хорошо известным примером циркадного ритма у человека
служит периодическая смена сна и бодрствования. В умеренных и тропиче-
ских районах сон обычно связывается с часами ночной темноты, а состояние
бодрствования и активности — с часами дневного освещения (хотя это рас-
пределение уже несколько видоизменилось с появлением в цивилизованном
обществе жилищ и искусственного освещения). Но в высоких широтах
режим сна у изолированных племен эскимосов и обитающих в Арктике
индейцев в условиях непрерывного полярного дня (в середине лета) весьма
значительно отличается от режима сна в условиях полярной ночи. Самые
ранние наблюдения за такого рода ритмами сна были сделаны отнюдь не
физиологами, а членами команд старых арктических китобойных судов
и записаны в их бортовых журналах. Общеизвестно, что у людей, особенно
эскимосов, наблюдается тенденция к значительно менее упорядоченному
режиму сна в середине лета, чем в середине зимы, хотя в противополож-
ность распространенному мнению заметных различий в длительности еже-
суточного сна зимой и летом не отмечается. В связи с этим интересно отме-
тить, что Льюис и Мастерсон [3], проследив часы сна у членов Британской
северогренландской экспедиции в течение более чем года, нашли, что
у каждого индивидуума отношение длительностей сна и бодрствования,
регистрируемое каждый день, оставалось поразительно постоянным в тече-
ние всего этого периода, хотя во время полярной ночи, когда люди были
прикованы к базе, нормальный режим сна во многих случаях был совер-
шенно нарушен. Вопрос о ритме сна и бодрствования и его взаимоотноше-
ниях с другими циркадными ритмами всесторонне рассмотрен в работах
Пирона [4] и Клейтмана [5]. Создается впечатление, что этот ритм чрез-
вычайно быстро изменяется в соответствии с изменившимся световым режи-
мом, если только при этом сохраняются приемлемые условия комфорта
и тишины [6].
Можно назвать целый ряд других физиологических функций человека,
подверженных совершенно отчетливым ритмическим изменениям с перио-
Затягивание циркадных ритмов у человека
533
дом, близким к 24 час. В частности, периодически меняется число эозино-
филов в крови [7, 8], содержание железа в плазме [9], температура тела,
частота пульса и кровяное давление [10], количество и состав мочи [4, 5],
в том числе выведение электролитов [11—13] с мочой. Суточные колебания
количества и состава мочи у человека представляют очень большой интерес,
и именно этому вопросу — и, в меньшей степени, суточным колебаниям
температуры тела — посвящено в основном настоящее сообщение.
ЗАТЯГИВАНИЕ ЦИРКАДНЫХ РИТМОВ ВЫВЕДЕНИЯ РАЗЛИЧНЫХ ВЕЩЕСТВ
С МОЧОЙ И РИТМОВ ТЕМПЕРАТУРЫ ТЕЛА
Ритм экскреторной активности почек у человека характеризуется
в норме понижением в ночные часы (олигурия, сопровождающаяся пони-
женным выделением всех компонентов мочи) и значительным повышением
в часы активной жизнедеятельности. Миллс и сотр. [12—14] исследовали
ритм экскреторной активности в условиях временной приостановки всякой
деятельности, следующей обычному распорядку дня, а также в условиях
полного обращения нормального распорядка дня или замены обычного
24-часового цикла принятия пищи и отдыха 12-часовыми циклами. Оказа-
лось, что даже в таких «жестких» условиях ритм экскреторной активности
изменяется не сразу, а лишь через несколько дней и сразу после возвраще-
ния к нормальному распорядку дня полностью восстанавливается [13].
Несомненно, идея, лежащая в основе этого эксперимента (принудительное
изменение обычного распорядка дня), в высшей степени полезна; но мы
убеждены, что важнее проводить исследования в условиях, более близких
к обычному 24-часовому распорядку дня и сохраняющихся в течение более
длительных промежутков времени. Такой подход связан с серьезными
трудностями, так как сама по себе длительная изоляция испытуемого от
окружающей среды в лабораторных условиях вносит в эксперимент эле-
мент стресса. Поэтому была предпринята попытка провести опыты в естест-
венных условиях: небольшая группа испытуемых была перевезена из Анг-
лии в высокие широты, на Шпицберген, где в летние месяцы разница между
ночью и днем (по количеству света и температуре) очень невелика. Живя
изолированной коммуной в умеренно комфортабельных условиях в необи-
таемой стране, испытуемые вели сравнительно нормальную жизнь при
аномальной временной схеме (см. ниже), что полностью соответствовало
требованиям эксперимента.
Методы
Полное описание искусственного режима, в котором жили испыту-
емые, опубликовано в оригинальных работах [6, 15—17]. Коротко говоря,
аномальная временная схема устанавливалась при помощи соответственно
отрегулированных наручных часов, которыми снабжались испытуемые.
В 1953 г. часы были отрегулированы так, что 11 реально протекших часов
регистрировались как 12 часов; в 1955 г. был проведен аналогичный опыт,
но полный оборот часовой стрелки соответствовал IOV2 или 13х/2 реальным
часам. Таким образом устанавливались соответственно 22, 21 и 27-часовые
«сутки».
Вся жизнь протекала внутри этой аномальной временной сетки, даже
в те периоды, когда исследований не проводилось или испытуемые нахо-
дились вне базы. Во время опыта пробы мочи собирали ежедневно в 02.30,
07.30, 10.00, 12.00, 14.00, 16.00, 18.00, 20.00 и 22.30 (по эксперименталь-
ному времени) и после измерения объема каждой пробы определяли содер-
534
М. Л о б б а н
жание натрия, калия и хлоридов. Было получено достаточное количество
данных, чтобы характеризовать каждую фазу соотношения между действи-
тельным временем и 21- или 27-часовыми «сутками»; опыты с 22-часовыми
«сутками» были проведены в качестве вспомогательных, и данные по ним
недостаточно полны. В то же время, когда собирали пробы мочи, измеряли
температуру в полости рта. Ежедневное потребление пищи и жидкости
каждым испытуемым регистрировалось и по возможности поддерживалось
постоянным. Каждый опыт длился приблизительно 6 реальных недель,
в начале и в конце которых производились контрольные пробы (в эти перио-
ды испытуемые пользовались обычными часами, т. е. жили на обычном
24-часовом режиме). Всего в опытах принимало участие 19 человек (12 муж-
чин и 7 женщин в возрасте от 21 до 38 лет). За один эксперименталь-
ный цикл мы принимаем промежуток времени между двумя моментами,
в которые экспериментальное время находится в фазе с реальным време-
нем. Таким образом, как в 21-часовой, так и в 27-часовой схеме цикл со-
стоит из 8 экспериментальных «суток», но при 21-часовой схеме 8 экспери-
ментальных «суток» соответствуют 7 реальным дням, а при 27-часовой схеме—
9 реальным дням.
Результаты
На фиг. 1 представлены данные, показывающие нормальные суточные
колебания интенсивности выведения воды и калия. Эти данные, получен-
ные в результате контрольных экспериментов, во время которых испытуе-
мые жили в условиях полярного дня по строгому 24-часовому графику,
03 16 24 24 ОВ 16 24
Время суток
Фиг. 1. Суточные колебания выведения воды (/) и калия (//)
во время контрольных экспериментов (усредненные данные по всем
испытуемым, принимавшим участие в опыте на Шпицбергене
в 1955 г.).
А — абсолютная интенсивность выведения, определявшаяся каждые 2 час;
Б — относительные средние (за 4 час) величины, выраженные в процентах
от средней интенсивности выведения для каждого исследованного компо-
нента мочи.
Затягивание циркадных ритмов у человека
535
идентичны со сходными данными, полученными в Англии, при нормальных
условиях чередования дня и ночи. Наибольшая интенсивность выведения
обоих компонентов мочи наблюдается между 10 и 14 час., наименьшая —
в нормальные часы сна. Таким образом, ритм экскреторной активности
находится в фазе с ритмом чередования дня и ночи. Выведение натрия
и хлоридов, не показанное на этом графике, дает ту же картину, хотя выве-
дение хлоридов достигает максимума примерно на 40 мин позднее, чем
выведение натрия, калия и воды.
Периоды повышенной интенсивности выведения различных веществ
с мочой служат прекрасными маркерами формы ритмов экскреции, и по гра-
фикам, изображающим интенсивность выведения в разное время суток,
Время,руток", экспериментальные „ часы ”
Фиг. 2. Выведение калия у испытуемых О и R в течение пер-
вого экспериментального цикла с 27-часовыми «сутками» (Шпицбер-
ген, 1955) [17].
Интенсивность выведения для каждого 4-«часового» интервала выражена в
процентах от средней величины выведения для каждых «суток». Стрелки
указывают полдень по солнечному времени. Солнечное время на долготе
базы (приблизительно 15° в. д.) совпадает с английским летним временем, по
которому испытуемые жили в течение нескольких недель перед началом опыта.
можно сразу же установить, подчиняется ритм аномальному режиму вре-
мени или нет. На фиг. 2 показан ритм выведения калия с мочой у двух
испытуемых в течение первого цикла при 27-часовых «сутках». Этот гра-
фик выбран нами для демонстрации по двум причинам. Во-первых, на нем
-отчетливо видно различие в числе максимумов выведения калия у адап-
тировавшегося испытуемого О (8 максимумов, приходящихся на часы про-
буждения по экспериментальному времени) и у неадаптировавшегося испы-
туемого R (9 максимумов, наблюдаемых примерно в полдень по реальному
временили поэтому попадающих на 5-е «сутки» опыта на полночь по экспе-
риментальному времени). Во-вторых, на этом графике ясно видно, как
ритм выведения калия у испытуемого О затягивается новой временной схе-
мой. В большинстве случаев ритм выведения воды затягивается новым
временным режимом очень легко, тогда как ритм выведения калия, если
и затягивается, то очень медленно. Подвергнув результаты всех трех опы-
тов математической обработке с помощью одной из модифицированных
536
М. Л о б б а н
форм анализа Фурье [16, 17], мы оценили степень затягивания экскретор-
ных ритмов новой временной схемой. В 1953 г. только у одного из 8 испы-
туемых, живших в режиме 22-часовых «суток», развился новый ритм;
все остальные обнаружили совершенно очевидную устойчивость 24-часо-
вого ритма выведения в течение всего периода эксперимента. В 1955 г.
из 7 человек, живших в режиме 21-часовых «суток» (один из них принимал
участие и в опыте с 22-часовыми «сутками»), также только у одного наблю-
далось быстрое затягивание ритма. В этом опыте были получены более
полные данные, которые показали, что у четырех испытуемых затягивание
ритмов выведения различных веществ с мочой происходило постепенно,
в течение всего экспериментального периода: у двух из них оно фактически
Фиг. 3. Ритмы выведения воды (/) и калия (//) у испытуемого
в течение V цикла (последний цикл опыта) с 27-часовыми «сутками»
(Шпицберген, 1955) [17].
Скорость выведения выражена в процентах от среднего. Стрелки указывают
полдень по солнечному времени.
завершалось в последнем цикле опыта, у двух других до конца опыта со-
хранялась заметная 24-часовая компонента. У двух испытуемых затягивание
вообще не наблюдалось. При 27-часовой временной схеме у двух испытуемых
О и Q, ритмы выведения всех веществ с мочой быстро изменялись в соответ-
ствии с новыми «сутками»; у одного происходило постепенное затягивание
ритмов в течение опыта, и у оставшихся двух также наблюдалось постепен-
ное затягивание, но только для ритма выведения воды — выведение калия
в течение всего опыта колебалось с периодом, точно равным 24 час.
Отчетливое различие в формах ритма выведения калия и воды, отме-
ченное выше, хорошо видно на фиг. 3, где приведены относительные вели-
чины выведения этих двух веществ с мочой у испытуемого R в течение
V цикла (последнего цикла в опыте с 27-часовыми «сутками»). Восемь макси-
мумов выведения воды приурочены к экспериментальному режиму, тогда
как 9 максимумов выведения калия ясно связаны с первоначальной 24-
часовой схемой. Примерно в середине цикла наступает инверсия ритма
по отношению к ритму активности.
Затягивание циркадных ритмов у человека
537"
Результаты измерений температуры тела также показывают, что 24-
часовые ритмы различных функций в разной степени подвержены затяги-
ванию. Как уже было сказано, быстрое затягивание ритмов экскреторной-
Фиг. 4. Ритмы выведения воды (/) и температуры тела (II) у двух
испытуемых в течение первого цикла с 21-часовыми «сутками»
(Шпицберген, 1955) [17].
См. ПОДПИСЬ К фиг. 3.
активности новой временной схемой обнаруживалось лишь у очень немно-
гих испытуемых; в то же время колебания температуры тела во всех слу-
чаях, кроме одного (в котором наблюдалось некоторое нарушение ритма
температуры в начале 21-часового цикла), очень быстро подчинялись новой
временной схеме. В качестве примера на фиг. 4 представлены данные по
обследованию двух испытуемых, S и D. И у того, и у другого ритм выведе-
ния воды при 21-часовом режиме не изменился по сравнению с нормаль-
ным, в результате чего произошла инверсия ритма по отношению к рит-
му активности и наблюдалось типичное уменьшение амплитуды около сере-
дины экспериментального цикла. Тем не менее (и несмотря на то, что
538
М. Л о б б а н
испытуемому D был свойствен аномальный (обращенный) температурный ритм
как в опытных, так и в контрольных условиях) температура тела этих испы-
туемых колебалась в соответствии с 21-часовой схемой с самого начала
цикла.
ВЛИЯНИЕ АРКТИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ И ФИЗИЧЕСКОЙ НАГРУЗКИ
В связи с результатами опытов, в которых испытуемые жили при ненор-
мальном временном режиме в условиях полярного дня, перед нами встали
следующие два вопроса: во-первых, мог ли сам по себе непрерывный днев-
ной свет оказывать какое-либо влияние на нормальные суточные ритмы
экскреторной активности и температуры тела и, во-вторых, можно ли в ка-
ких-либо условиях показать расхождение этих физиологических ритмов
у людей, живущих на нормальном 24-часовом режиме? Из результатов,
лолученных на Шпицбергене, очевидно, что непрерывный дневной свет
А
Б
Время суток
Фиг. 5. Картина выведения воды и калия в середине лета у эскимоса
(4) и у европейца, прожившего на севере 23 месяца (5).
в течение 8 недель (которые включают 6 недель экспериментального перио-
да и 2 недели контрольных — в начале и в конце опыта) не действует замет-
ным образом на эндогенные 24-часовые ритмы испытуемых, вывезенных
из средних широт. Однако измерения, проведенные у обитающих в Арк-
тике индейцев (в середине лета и зимы) и эскимосов (в середине лета) Юкона
и Аляски, показали, что ритм их экскреторной активности резко отличается
от ритма, наблюдаемого у лиц, живущих на более низких широтах [18].
Эго отличие проявляется в заметном уменьшении амплитуды ритма выве-
дения воды, натрия, хлоридов и даже калия; у одних испытуемых это умень-
шение амплитуды настолько велико, что нормальные суточные колебания
вообще исчезают (фиг. 5, А), у других наблюдается лишь нарушение нор-
мальной картины (фиг. 5, Б). Интересно, что подобное уменьшение амплиту-
ды и заметное нарушение ритма экскреторной активности были найдены
также у европейцев, живших в условиях Арктики 23, 18 или 5 месяцев,
тогда как пребывание в Арктике в течение 2 или 3 месяцев никаких наруше-
ний не вызывало. Вместе с тем ритмы температуры тела у всех этих лиц
оказались близкими к ритмам людей, живущих на более низких широтах.
Сводка полученных нами результатов представлена в таблице. Можно
видеть, что в то время как у многих коренных жителей Арктики наблюдается
аномальный ритм экскреторной активности, из людей, живущих на средних
широтах и привезенных в условия полярного дня на 8 недель, только у двух
-обнаружено нарушение этого ритма.
Затягивание циркадных ритмов у человека
539
Характер ритмов экскреторной активности у лиц, живущих в средних широтах
и перевезенных в условия полярного дня, и у коренных жителей Арктики
Ритм выведения воды, калия, натрия и хлоридов считается нормальным, если интен-
сивность выведения повышается в часы бодрствования и понижается ночью. Аномаль-
ный ритм отличается тем, что либо нормальные суточные колебания исчезают или
становятся гораздо меньше, либо нарушается координация ритмов выведения отдель-
ных веществ.
Число испытуемых
Этнические
типы*
Возраст
Распределение испытуемых
по характеру ритма
нормальный аномальный
ритм ритм
Жители Англии
40 (24^,16$) Е 19—40 лет 38 2
Жители Англии после 8-недельного пребывания в условиях полярного дня
на Шпицбергене
24 (14сГ, 10$) Е 20—38 лет 22 2
Жители Юкона (июнь)
45 (22^,23$) 33 И 10 м 2 Е 13—77 лет 26 19
Жители Юкона (декабрь)
24 (1 Icf, 13$) 17 И 4 М 3 Е 14—77 лет 8 16
Жители Аляски (июль)
8 Э 25—76 лет 2 6
И—индейцы; М—метисы; Э—эскимосы, F—европейцы.
В идеале необходимо было бы провести измерения также на лицах,
которые постепенно передвигались из области низких широт в арктические
районы, и на тех, кто жил здесь в течение всего лета при 24-часовом режи-
ме. В действительности сделать это не так легко, потому что «открытый»
сезон в наиболее доступных изолированных районах Арктики недостаточно
длителен для проведения эксперимента (мы уже указывали, что двух меся-
цев недостаточно). Мы попытались провести измерения в других британских
540
М. Л о б б а н
экспедициях на Шпицбергене, но они все же не могут служить адекватным:
контролем, если исследуется влияние одних только условий среды. Дело
в том, что эти группы состоят из топографов и геологов, которые по роду
своей работы очень много ходят и ездят на санях и лыжах, что, по-види-
мому, может серьезно нарушить ритмы выведения если не всех компонен-
тов мочи, то во всяком случае воды. Именно интенсивная и длительная
Испытуемый А
Испытуемый В
20 04 12 20 04
20 04 12 20 04
Время суток
Испытуемый D
Фиг. 6. Выведение воды (/) и калия (//) у трех молодых мужчин в
условиях нормального чередования дня и ночи (Зерматт, 1960 г.).
Восход солнца приблизительно в 06 час. 15 мин., заход — 18 час. 45 мин.
Испытуемые А и В выполняли умеренно тяжелую работу в поле с 09 час.
15 мин. до 19 час. Интенсивность выведения выражена в процентах от сред-
него.
физическая нагрузка может вызвать нарушение координации различных
ритмов выведения при нормальном 24-часовом режиме. Поразительный
пример такого рода расхождения ритмов показан на фиг. 6, где изображены
суточные колебания выведения воды и калия у трех молодых мужчин. Эти
данные получены не на Шпицбергене, а на высоте 3000 м в горах в апреле
(восход солнца в 06 час. 15 мин., заход в 18 час. 45 мин.). Все трое были
членами гляциологической партии, производящей топографическую съем-
ку, примерно одинакового возраста (23, 22 и 25 лет); все они прибыли на
место только за 5 дней до начала отбора проб и никто из них не вел до этого
такую напряженную и трудную работу. В 7 час. 00 мин. утра и в 19 час.
Затягивание циркадных ритмов у человека
541
15 мин. вечера они ели, потребляя приблизительно одинаковое количество
пищи и жидкости. Однако двое из них, Ли В, работали непосредственно
на льду, тогда как третий, D, оставался в хижине и был сравнительно мало
загружен. В 13 час. все трое завтракали, потребляя около 250 мл жидкости
каждый. Как отчетливо видно на фиг. 6, у субъекта D сохранялся нормаль-
ный 24-часовой ритм и большая амплитуда колебаний; в то же время у двух
других картина выведения воды резко изменилась, причем оказалась
полностью нарушенной координация между выведением воды и калия. Коле-
бания выведения калия сохранили прежний 24-часовой ритм, но резко
уменьшились по амплитуде, хотя общее количество калия, выведенное
в течение всего экспериментального периода, поразительно одинаково
у всех трех испытуемых. Подобное же, хоть и менее четко выраженное,
расхождение ритмов выведения воды и калия наблюдалось также у трех
испытуемых во время трудного санного похода через снеговое плато на
Шпицбергене в 1959 г. Мы полагаем, что эти результаты, хотя и малочис-
ленные, несомненно доказывают существование расхождений между ритма-
ми выведения воды и калия у лиц, живущих на нормальном 24-часовом режи-
ме дня.
ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ
Результаты наших наблюдений ясно показывают, что колебания тем-
пературы тела и выведения различных веществ с мочой обнаруживают
отчетливо выраженный 24-часовой ритм. Из опытов, проведенных в усло-
виях 22, 21 и 27-часовых «суток», следует, что тогда как ритмы темпера-
туры тела и, во многих случаях, выведения воды могут постепенно при-
спосабливаться к новой временной схеме, внутренний 24-часовой ритм
выведения калия отличается поразительной устойчивостью. У людей, пере-
живших периоды большой физической нагрузки, координация между рит-
мами выведения воды и калия также нарушается, и в этих случаях ритм
температуры тела оказывается в одной фазе с ритмом выведения калия.
Правда, нарушение координации 24-часовых ритмов в результате кратко-
временной физической нагрузки (см. фиг. 6) можно было бы объяснить
просто увеличением потерь воды и хлористого натрия, связанным с усилен-
ным потоотделением. Но надо сказать, что подобные же нарушения экскре-
торных ритмов наблюдались и после длительной физической нагрузки,
когда были приняты специальные меры предосторожности для уменьшения
потерь воды и натрия [19]. В последнем случае ритмы температуры тела
у испытуемых оставались неизменными, тогда как ритмы экскреции вос-
станавливались полностью лишь через 6 дней после прекращения работы,
связанной с большой физической нагрузкой. Эти результаты показывают,
что ритм температуры тела у взрослых людей тесно связан с ритмом общей
активности человека.
Ритмы выведения различных веществ с мочой изменяются значительно
более сложным образом. Ритм диуреза, т. е. выведения воды, изменить
сравнительно легко. Он может быть полностью нарушен в период большой
физической нагрузки и может подчиниться (иногда немедленно и почти
всегда — в течение 3—5 недель) новой временной схеме. В обоих случаях
ритмы выведения воды и натрия обычно изменяются параллельно. Крайне
интересно, что ярко выраженный ритм выведения калия практически никог-.
да не претерпевает такого рода параллельных изменений. Такое «раздвое-
ние», наблюдающееся в ритмах выведения воды, натрия и хлоридов, с одной
стороны, и калия, с другой, дает основание предположить, что эти процес-
542
М. Л о б б а н
сы регулируются различными механизмами. Возможно, что эти регулирую-
щие или интегрирующие механизмы относятся к системе гипоталамуса —
гипофиза (для воды и натрия) и к системе коры надпочечников (для калия).
В пользу этой гипотезы говорят данные, показывающие, что при лечении
аддисоновой болезни альдостероном обнаруживается такое же наруше-
ние координации ритмов выведения воды и калия, как у некоторых испы-
туемых, обследованных в опыте на Шпицбергене [20]. Мы надеемся, что
в результате проводимого нами сейчас исследования экскреторных ритмов
у людей, перенесших операцию гипофизэктомии, мы получим дополнитель-
ные данные, подтверждающие наше предположение.
Наконец, данные, полученные при обследовании коренных обитателей
арктических областей, показывают, что длительное пребывание в условиях,
где такой фактор, как восход и заход солнца, отсутствует значительную
часть года, может привести к заметному уменьшению амплитуды или даже
к исчезновению всех 24-часовых экскреторных ритмов, в том числе и ритма
выведения калия. Эти изменения нельзя рассматривать как затягивание
ритмов; они представляют собой просто затухание естественной периодич-
ности функций. Результаты, полученные при исследовании группы индей-
цев, обитающих в Арктике, говорят о том, что это затухание не связано
только лишь с определенным режимом деятельности испытуемых. Так,
во время полярного дня (т. е. во время охоты) деятельность индейцев про-
текает чрезвычайно беспорядочно, тогда как во время полярной ночи они
ведут сравнительно размеренный образ жизни и их активность определяется
преимущественно такими регулярно происходящими событиями, как уход
детей в школу или два-три часа сумеречного освещения в середине дня,
когда наиболее удобно принести дров или сходить за льдом для воды. Тем
не менее данные показывают, что уменьшение амплитуды или полное нару-
шение экскреторных ритмов (но не ритма температуры тела) происходит
гораздо чаще зимой, чем в середине лета (см. таблицу). Этот результат
служит, по-видимому, убедительным аргументом в пользу того, что для
возбуждения в полной мере 24-часовых физиологических ритмов у человека
действительно требуются какие-то стимулирующие факторы, связанные-
с окружающей средой, и что одним из наиболее важных факторов такого
рода является, вероятно, периодическое появление дневного света, совпа-
дающее с нормальным временем активности человека. Индивидуальные-
различия, наблюдающиеся в середине зимы даже у группы индейцев, оби-
тающих в Арктике, вызываются, скорее всего, различиями в чувствитель-
ности к стимулирующим факторам среды, а не разным распорядком дня
у отдельных индивидуумов. Таким образом, хотя существование эндоген-
ной циркадной периодичности физиологических функций у человека доста-
точно хорошо доказано, можно думать, что внешние условия играют гораз-
до большую роль в синхронизации и поддержании этих 24-часовых ритмов,
чем полагали до сих пор.
ЛИТЕРАТУРА
1. Kleitm an N., Biological rhythms and cycles, Physiol. Rev., 29, 1—30 (1949).
2. H a r k e r J. E., Diurnal rhythms in the animal kingdom, Biol. Rev., 33, 1—52
(1958).
3. Lewis H. E., Masterton J. P., The influence of a polar environment
on sleep-wakefulness patterns in man, J. Physiol., 129, 82P (Title only) (1956).
4. P i e г о n M., Le Probleme Physiologique du Sommeil, Paris, Masson et Cie, 1913.
Затягивание циркадных ритмов у человека
543
5. Kleitm an N., Sleep and Wakefulness, Chicago, University of Chicago Press,
1939.
6. Lewis P. R., Lobban M. C., Dissociation of diurnal rhythms in human sub-
jects on abnormal time routines, Quart. J. Exp. Physiol., 42, 371—386 (1957).
7. Halberg F., Visscher M. B., F 1 i n к E. B., Berge K-, Bock F.,
Diurnal rhythmic changes in blood eosinophil levels in health and in certain
diseases, Lancet, 71, 312—319 (1951).
8. К a i n e H. D., Seiber H. S., С о n n J. W., Mechanisms of diurnal eosinophil
rhythm in man, J. Lab. Clin. Med., 45, 247—252 (1955).
9. H a m i I t о n L. D., G u b 1 e r C. J., Cartwright G. E., W i n t r o-
b e M. M., Diurnal variation in the plasma iron level of man. Proc. Soc. Exp..
Biol. Med., 75, 65—68 (1950).
10. К I e i t m a n N., Kle’it m an E., Effect of non-twenty-four-hour routines of
living on oral temperature and heart rate, J. Appl. Physiol., 6, 283—291 (1953).
11. St anbury S. W., Thomson A. E., Diurnal variations in electrolyte
excretion, Clin. Sci., 10, 267—293 (1951).
12. M i 1 1 s J. N., S t a n b u г у S. W., Persistent 24 hr. renal excretory rhythm
on a 12 hr. cycle of activity, J. Physiol., 117, 22—37 (1952).
13. M i 1 1 s J. N., Thomas S., Yates P. A., Reappearance of renal excretory
rhythm after forced disruption, J. Physiol., 125, 466—474 (1954).
14. M i 1 1 s J. N., Diurnal rhythms in urine flow, J. Physiol., 113, 528—536 (1951).
15. Lewis P. R.,® L о b b a n M. C., Shaw T. I., Patterns of urine flow in human
subjects during a prolonged period of life on a 22 hr. day, J. Physiol., 133, 659—
669 (1956).
16. L e w i s P. R., L ob b a n M. C., Patterns of electrolyte excretion in human
subjects during a prolonged period of life on a 22 hr. day, J. Physiol., 133, 670—
680 (1956).
17. Lewis P. R., L о b b a n M. C., The effects of prolonged periods of life on abnor-
mal time routines upon| excretory rhythms in human subjects, Quart. J. Exp.
Physiol., 42, 356—371 (1957).
18. L о b b a n M. C., Excretory rhythms in indigenous arctic peoples, J. Physiol.
143, 69P (1958).
19. L e w i s P. R., L о b b a n M. C., The effects of exercise on diurnal excretory
rhythms in man, J. Physiol., 143, 8—9P (1958).
20. P r u n t у F. T. G., McSwiney R. R., Mills I. H., Smith M., The
effects of aldosterone in Addison’s disease and adrenal pseudohermaphroditism,.
Lancet, 267, 620—624 (1954).
ОБСУЖДЕНИЕ ДОКЛАДА
Солбергер. Приведенные здесь данные об интенсивности выве-
дения различных веществ с мочой показывают, что линейной зависимости
между среднесуточной интенсивностью выведения и амплитудой не сущест-
вует, причем величины относительной амплитуды различны у разных групп
населения. Это указывает, я полагаю, на действительное физиологическое
различие в среднесуточной интенсивности протекающих реакций.
Л о б б а н. Да, я полагаю, что это верно. Уменьшение амплитуды
ритма при отсутствии соответствующего уменьшения суточного выхода
видно особенно четко, если сравнить данные о выведении калия у жителей
Англии и у индейцев и эскимосов. Различия среднесуточной интенсивности
выведения калия в этих двух группах очень малы, но амплитуда ритмов;
выведения калия у жителей арктических областей значительно меньше,
-544
М.. Л о б б а н
чем у жителей средних широт. Если принять амплитуду этого ритма у жите-
лей Англии за 100%, то у индейцев и эскимосов она составит в среднем
53 и 19% соответственно; вместе с тем значения среднесуточной интенсив-
ности выведения и, следовательно, общего количества выведенного за сутки
калия у жителей Англии и у эскимосов различаются всего на 12%.
Ашофф. Если при искусственных 27-часовых «сутках» сохраняется
исходный 24-часовой ритм, то мы должны принять, что человек, так же как
и обитающие в Арктике животные, чувствителен к очень слабому датчику
времени, очевидно еще сохраняющемуся в условиях полярного дня. Или
Вы думаете, что, удлинив срок эксперимента, Вам удастся выявить измене-
ние этого основного ритма — скажем, его период станет равен 23,5 час
вместо 24?
Л о б б а н. Можно принять обе эти гипотезы, но первая из них кажет-
ся более правдоподобной. Затягивание ритмов колебаний температуры
и выведения воды экспериментальными 21- или 27-часовыми схемами пока-
зывает, что испытуемые реагируют на искусственный датчик времени,
создаваемый с помощью экспериментальных наручных часов. Но наблюде-
ния за выведением калия показывают в равной степени достоверно, что
для некоторых физиологических функций внутренний 24-часовой ритм
сохраняется. Учитывая сравнительно благоприятные условия опытов
на Шпицбергене, я ожидала, что любой исходный циркадный ритм либо
будет прерван новым наведенным ритмом и совпадет с ним по фазе, либо
вообще исчезнет в процессе эксперимента. Во всяком случае, этот исходный
ритм должен был исчезнуть.
Совершенно отчетливое и полное сохранение ритма выведения калия,
по-видимому, указывает на то, что для некоторых ритмов у человека боль-
шее значение имеют условия внешней среды, чем искусственно введенная
аномальная временная схема.
С. МОРИ
Влияние внешних условий
и физиологических факторов на суточную
ритмическую активность морского пера
о
ВВЕДЕНИЕ
Морское перо Cavernularia obesa Valenciennes обитает на песчаном
мелководье у южных берегов Японии. Обычно ночью животные распускают
ветви колонии, а в дневные часы они сжимаются и прячутся в песок [1,2].
Хотя колония состоит из тысячи зооидов, ведет она себя как один организм.
Колонию можно содержать в лаборатории в течение 2—3 лет. Мы изучаем
ритмическую активность этих животных с 1943 г. Наблюдения и опыты
проводились в Морской биологической лаборатории Киотского универ-
ситета (префектура Вакаяма, Япония), в окрестности которой морское
перо встречается очень часто.
ФАКТОРЫ ВНЕШНЕЙ СРЕДЫ
А. БИОТИЧЕСКИЕ ФАКТОРЫ
В естественных условиях морские перья обычно образуют большие
скопления. Взаимодействие между колониями наблюдается только в период
размножения. При этом создается впечатление, что процессы эйякуляции
и выбрасывание яиц непосредственно регулируются световым режимом
среды. Обычно морские перья в дневные часы скрываются р песке, но в пе-
риод эйякуляции и выбрасывания яиц они остаются в расправленном сос-
тоянии даже после восхода солнца. Зооиды мужских и женских колоний
выбрасывают сперматозоидов и яйца в воду через 2—2,5 час после восхода
солнца в октябре месяце. Точно так же ведут себя и особи, выращенные
в лабораторных аквариумах.
Изменяя режим освещения, можно нарушить нормальную периоди-
ческую активность поведения животных; в результате нарушится и ход
явлений, связанных с размножением. В этих случаях эйякуляция и выбра-
сывание половых продуктов у морского пера происходит через 2—2,5 час
после включения света [3].
По-видимому, ритмическая активность не связана с режимом питания
[1]. В местах обитания морских перьев брались количественные пробы
планктонных организмов. При этом сколько-нибудь заметных различий
546
С. Мори
в дневных и ночных сборах планктона обнаружено не было. В частности,
14 октября 1942 г. были получены следующие данные:
Время наблюдения .................... 9.30 20.00
Время прилива........................ 8.45 19.45
Глубина в момент наблюдения, м . . . 2 2
Температура воды, °C ................ 22,0 21,5
Интенсивность освещения, лк:
у поверхности ......................... 18 900 0
у дна .............................. 9 800 0
Количество планктонных организмов в 1 л:
веслоногие раки ....................... 33 23
науплиусы.......................... 33 12
Noctiluca........................... 2 2
Oikopleura....................... 1 2
велигеры моллюсков .............. 1 2
личинки Polychaeta............... 2 —
коловратки....................... 2 —
эхиноплутеусы.................... — 2
В лабораторных условиях обычная для этих животных ритмическая
активность сохраняется в течение недели даже в том случае, когда из воды,
которую добавляли в аквариумы, тщательно отфильтрованы все мелкие
организмы. Животные, содержащиеся в аквариуме, со временем уменьшают-
ся в размере и утончаются в результате использования внутренних пище-
вых ресурсов. Через 1—2 года размеры их уменьшаются почти в 5 раз, но
нормальная ритмическая активность тем не менее полностью сохраняется.
Безусловно, планктонные организмы, являющиеся основным источником
пищи, очень важны для поддержания жизни морских перьев, но количе-
ство их не влияет на ход установившейся ритмической активности.
Точно так же на нормальное поведение этих животных не влияет при-
сутствие других животных.
Таким образом, можно предположить, что внешние факторы, контро-
лирующие суточную ритмическую активность морских перьев, следует
искать среди абиотических факторов.
Б. АБИОТИЧЕСКИЕ ФАКТОРЫ
Число наблюдений и экспериментов, касающихся связи между осве-
щением, температурой и суточной активностью морского пера, довольно
велико. Результаты их обобщены ниже.
1. Свет
Постоянная темнота или непрерывное освещение (около 900 лк)
В таких условиях в теплые сезоны морские перья сохраняют нормаль-
ный мономодальный ритм активности. В отдельных случаях проявляется
бимодальная или мультимодальная активность [2]. Каждая колония харак-
теризуется определенным типом активности, который повторяется изо
дня в день и нередко оказывается настолько стойким, что сохраняется
в течение 100 дней жизни в темноте, хотя фазы активности могут значитель-
но сдвинуться относительно естественной смены дня и ночи [4].
'точная ритмическая активность морского пера
547
В холодные сезоны, когда температура воды опускается ниже 12—13°
(это редко случается в природе, но очень часто — в лаборатории), 24-часо-
вые ритмы в условиях непрерывного освещения или постоянной темноты
нарушаются. В этих условиях фаза активного состояния заметно удлиняет-
ся, достигая в некоторых случаях 2 дней [5, 6]. Более детально действие
температуры будет рассмотрено ниже.
Обращение цикла свет — темнота
Вслед за обращением цикла свет — темнота ритм активности колонии
соответственным образом изменяется. При интенсивности света между
1230 и 7 лк смена ритма активности происходит в течение 2—3 дней, при
интенсивности 1,2 лк—в течение 6 дней; если интенсивность составляет
всего 0,3 лк, то за неделю ритм сменяется только у 50% колоний [3, 7].
Эти факты свидетельствуют о том, что эндогенные ритмы, которыми
обладают животные, могут изменяться под действием внешних факторов.
Такие же выводы можно сделать и из последующих экспериментов.
Изменение длительности светового и темнового периодов
Были проведены две серии опытов. В первой серии животных содержали
в условиях чередования света и темноты равной длительности; общая дли-
тельность одного цикла в этих опытах варьировала от 10 мин до 48 час.
Во второй серии изменялась длительность светового и темнового периодов,
но общая длительность одного цикла всегда оставалась равной 24 час.
Время суток
Фиг. 1. Активность морского пера в условиях чередования 30 мин света и 30 мин
темноты (начало искусственного светового цикла указано стрелкой).
Колонии 1 и 4 сохраняют нормальный ритм, тогда как у колоний 2 и 3 активность распределена
нерегулярно. Можно заметить пики и провалы, соответствующие включенному и выключенному
свету. Это иллюстрирует влияние внешних факторов на врожденный внутренний физиологический
ритм. Естественная смена дня и ночи и смена света и темноты в опыте показаны сверху.
548
С. Мори
В тех опытах, когда световой режим не сильно отличался от естествен-
ного чередования дня и ночи (смена 12 час света и 12 час темноты), ритм
активности синхронизовался с новым режимом освещения. К этой катего-
рии принадлежат такие циклы, как 9:9, 15 : 15, 9:15 и 15 : 9. Если,
однако, световой режим существенно отличается от естественного, характер
активности изменяется. В этих условиях некоторые колонии еще продол-
жают пребывать в состоянии синхронной активности, тогда как поведение
других становится беспорядочным или же они ведут себя так, как будто
Разные варианты
чередования
света и темноты
Характер ритма
активности
1/12 ’•1/12
— —
--------------------------------------------------------
Н/гИЧг 3 :3 —!—24: 24 —21 :21
о: о I —9:9— ' АО . АО —15:15—;
—9:15— — 12: 12— Нормаль- ный —15:9—| 1 1 Q . £
D Jo 3:21 Нормаль- ; Нерегу- ный ; лярный Полная син- f АО . U Полная ; Нерегу- син- ! лярный —21 :3— Нормаль- ный
(кажу- ! щийся?) J f хрониза- ция хрониза- ; ция | 1 (кажу- щийся?)
Фиг. 2. Характер ритмов активности при разных световых режимах.
Объяснение см. в тексте.
находятся в условиях нормального освещения (т. е. проявляют явную
24-часовую ритмическую активность). Подобные состояния наблюдались
при световом режиме 6:6, 18 : 18, 21 : 21 или 24 : 24. Более того, в очень
сильно измененных условиях освещения, таких, как 3 : 3 час, 1,5 : 1,5 час,
30 : 30 мин, 15 : 15 мин или 5 : 5 мин и 3 : 21 час или 21 : 3 час, все коло-
нии теряют четкий синхронный ритм и поведение их становится беспорядоч-
ным. Наряду с этим у некоторых колоний, по крайней мере внешне, сохра-
няется нормальный ритм (фиг. 1,2) [3, 7, 8].
На основании этих экспериментов можно заключить, что свет является
одним из наиболее важных факторов внешней среды, под контролем кото-
рых находится ритмическая активность. Однако животные способны воз-
вращаться к исходному состоянию, когда изменение внешних условий
превышает допустимые пределы их приспособляемости.
2. Температура
Амплитуда суточных колебаний температуры воды в аквариуме состав-
ляла не более 2°, и вряд ли эти слабые изменения могли оказывать сущест-
венное влияние на ритмическую активность морского пера. Чтобы исклю-
чить всякие сомнения, мы провели следующий эксперимент. Животных
содержали в условиях постоянной темноты. Температуру воды, добавляе-
мой в аквариум, регулировали таким образом, что днем она несколько
Суточная ритмическая активность морского пера
549
Фиг. 3. Изменение активности колоний морских перьев
на протяжении суток летом (7) и зимой (77).
понижалась, а ночью повышалась [2]. В результате такой смены темпера-
тур никаких изменений поведения отмечено не было.
Вместе с тем годовое изменение температуры воды оказывает сущест-
венное влияние. В теплые сезоны, когда температура воды выше 13°, боль-
шинство колоний распускаются почти одновременно, сразу после захода
солнца, и после полуночи одна за другой сжимаются [7]. В холодные сезоны
Фиг. 4. Ритм активности в условиях постоянной темноты зимой.
Температура воды 8,2 —11,3°. Режим освещения указан вверху. Легко заметить удлинение
периодов активности в постоянной темноте.
они распускаются после захода солнца постепенно, одна за другой и сжи-
маются все одновременно с восходом солнца (фиг. 3) [5]. Зимой, когда тем-
пература воды ниже 12—13°, в условиях постоянного освещения или тем-
ноты животные остаются в активном состоянии до 18—20 час, а иногда
до 2 дней (фиг. 4) [6].
Насколько можно судить по этим опытам, температура является вто-
рым фактором, поддерживающим установившуюся ритмическую активность
животных, по крайней мере в теплые сезоны.
3. Другие абиотические факторы внешней среды
На основании своих тщательных исследований Ф. Браун и его сотруд-
ники утверждают, что живые организмы (и животные, и растения) способ-
ны реагировать на периодические изменения давления или каких-то дру-
ь'/7.-п'яг.

Суточная ритмическая активность морского пера 551
гих физических факторов внешней среды, подчас не известных исследова-
телю. Однако на активность морского пера такие факторы, по-видимому,
влияют мало. Ниже мы еще вернемся к обсуждению этого вопроса.
ФИЗИОЛОГИЧЕСКИЕ ФАКТОРЫ
А. СУЩЕСТВОВАНИЕ ВНУТРЕННИХ РИТМОВ
Способность организмов сохранять 24-часовые ритмы при постоянных
условиях окружающей среды или под влиянием периодической смены света
и темноты предполагает существование определенных внутренних физиоло-
гических ритмов.
Это предположение подтверждается также существованием замеча-
тельной индивидуальности в характере ритмической активности. Рассмат-
ривая кривые активности, записанные на барабане с закопченной бумагой
с помощью писчика, прикрепленного нитью к вершине ствола колонии,
можно заметить, что некоторые колонии находятся в постоянном активном
состоянии в течение примерно 12 час, некоторые — 6 час, тогда как другие
имеют бимодальный тип активности, распускаясь дважды в течение ночи.
Среди колоний, имеющих мономодальный тип активности, одни распускают-
ся сильней в вечерние часы, чем после полуночи, а у других наблюдается
обратная картина. Несколько примеров приведено на фиг. 5. Интересно,
что в течение ряда ночей тип активности почти в точности сохраняется.
Это не только свидетельствует о существовании внутренних физиологи-
ческих ритмов у каждой отдельной колонии, но также указывает на то, что
наличие центральной нервной системы не всегда необходимо для проявле-
ния определенного типа активности [9].
Б. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ФИЗИОЛОГИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ОРГАНИЗМА
Какова физиологическая основа внутренних ритмов? Что касается
постоянной ритмической активности морского пера, мы полагаем, что в ее
основе лежат главным образом внутренние метаболические циклы. Поэтому
мы решили измерить некоторые физиологические параметры, которые,
можно полагать, связаны с основными метаболическими циклами [10—14].
В первую очередь были измерены суточные изменения концентрации Н+-
ионов и содержания СО2, NH3 (в полостной жидкости) и гликогена. Кроме
того, было измерено содержание молочной кислоты в полостной жидкости,
но эти результаты здесь не будут обсуждаться.
Значение pH в полостной жидкости обычно достигает 7,8 в утренние
часы, непосредственно перед началом сокращения колонии, затем снижает-
ся в течение дня до тех пор, пока не достигнет величины около 7,4 в вечер-
ние часы, когда животные начинают распускаться. Фиг. 6 иллюстрирует
суточное изменение значения pH в полостной жидкости в теплый сезон.
В холодные сезоны (когда температура воды лежит ниже 13°) картина ока-
зывается более сложной, как это и показано на фиг. 7, где приведены данные
для колоний двух видов — для тех, которые только начинают распускаться
Фиг. 5. Ночная активность 4 колоний (А, Б, В, Г) морского пера.
Запись проводилась 5 ночей подряд. Четко выявлена индивидуальность рисунка активности
колоний.
Время суток
Фиг. 6. Суточное изменение pH полостной жидкости (/) и морской воды (//)
в теплые сезоны.
Для
первых суток на графике нанесены индивидуальные значения pH (черные точки),
для вторых суток — средние (светлые точки).
Время суток
Фиг. 7. Изменение pH в полостной жидкости в ночные часы (холодный сезон).
X pH морской воды; О pH колоний с длиной тела менее 10 см (сразу после начала распускания);
• pH полностью распустившихся колоний длиной более 20 см.
Фиг. 8. Изменение содержания NH3 и СО2 в полостной жидкости (/ и //),
содержания гликогена в тканях организма (///) и объема поглощенного из
воды О2 (/V) на протяжении суток.
Даны средние значения по нескольким колониям.
Ф и г. 9 Относительное изменение скорости реакции на свет в течение ночи.
Измерялось время, необходимое для сокращения размеров колонии вдвое при ярком осве-
щении (4300 лк). Приведены средние значения по 2—3 колониям.
554
С. Мори
(длиной менее 10 см), и тех, которые полностью распустились (длиной более
20 см). Тот факт, что значение pH у первых ниже, чем у вторых, представ-
ляется вполне естественным. Непостоянство значений pH в течение ночи
вызвано, вероятно, различием во времени начала активности у разных
колоний, что, как указано выше, характерно для поведения животных
в холодные сезоны. Приведенные данные указывают на то, что метаболи-
ческие процессы тесно связаны с проявлением ритмической активности.
Суточное изменение содержания СО2 точно согласуется с изменениями
концентрации Н+-ионов. Количество аммиака на единицу объема (1 см3)
полостной жидкости достигает 7 цг в дневные часы и уменьшается до 2 цг
в течение ночи. Наименьшее содержание гликогена (около 4 мг/г) отмечено
к вечеру, когда животные начинают распускаться, от полуночи до полудня
оно выше (до 6—7 мг/г). В качестве индикатора общей интенсивности обмена
мы измеряли количество О2, потребляемого животным. Днем, когда живот-
ные находятся в сокращенном состоянии, потребления О2 почти нет. Ночью
же, когда колонии распускаются, потребление кислорода достигает значи-
тельной величины (0,03 см3/г/час). Это означает, что дневной характер ды-
хания, возможно, отличен от ночного. Результаты опытов показаны на фиг. 8.
Далее, поскольку свет оказывает очень сильное воздействие на рит-
мическую активность морского пера, мы предположили, что можно ожи-
дать изменения реакции животного на световое раздражение в течение
суток. Результаты опытов, поставленных для проверки этого предположе-
ния, полностью подтвердили его. Распустившиеся колонии реагируют
сокращением на внезапное освещение (около 4300 лк), но скорость ответной
реакции совершенно различна в разное время суток.
В начале активной фазы между раздражением и ответом, выражающимся
сокращением колонии, проходит довольно длительное время. После полу-
ночи, когда животные находились уже несколько часов в раскрытом состоя-
нии, сокращение в ответ на то же раздражение наступает в 4 раза быстрее
(фиг. 9) [15]. Физиологическая основа этих изменений остается пока неиз-
вестной. Возможно, это связано с изменениями в нервной сети или с изме-
нениями общей метаболической активности других клеток и тканей.
В. ОПЫТ С ИНЪЕКЦИЕЙ ПОДКИСЛЕННОЙ морской воды
Чтобы проверить, действительно ли изменения внутреннего метаболиче-
ского режима могут вести к изменению существующей ритмической активно-
сти, необходимо искусственно перестроить ритмическую смену физиологиче-
ских состояний и проследить, как это скажется на ритме активности животных.
С этой целью была поставлена следующая серия экспериментов. Конечно,
желательно было иметь дело с таким фактором, который оказывает наиболее
существенное влияние на активность, но нам не было известно, какой именно
физиологический фактор является важнейшим. Поэтому ради удобства
обработки результатов первые опыты были проведены с изменением кон-
центрации Н+-ионов. pH морской воды понижали с помощью молочной
или уксусной кислоты или углекислым газом. Небольшое количество
обработанной таким образом морской воды вводили в полость через вер-
шину ствола колонии, находящейся в сокращенном состоянии в дневные
часы. В таблице (стр. 556) приведены концентрации используемых веществ,
значение pH и введенные дозы.
В опытах с разными агентами эффект был несколько различным, но всег-
да животные отвечали на инъекцию реакцией распускания. С увеличением
дозы эффект увеличивался. Из трех использованных агентов СО2 вызывает,
Фиг. 10. Влияние карбонированной морской воды, инъецирован-
ной в полость тела сокращенной колонии через вершину ствола.
Опыт начат в 8 час. утра. А и В — инъекция 1 и 5 мл морской воды (контроль-
ные опыты); Б и Г — инъекия 1 и 5 мл карбонированной морской воды.
Время с момента инъекции, чае
Фиг. 11. Изменение длины тела колонии и концентрации
Нойонов (на кривых указано значение pH) в полостной жидкости
в зависимости от времени, прошедшего с момента инъекции карбо-
нированной морской воды (5 мл).
Цифра в скобках означает число колоний.
Время с момента инъекции, час
Фиг. 12. Результаты опытов с инъекцией карбонированной
морской воды, нейтрализованной аммиаком.
А — морская вода (pH 8,3), 5 мл; Б — карбонированная морская вода, нейтра-
лизованная аммиаком (pH 8,3), 5 мл; В — карбонированная морская вода
(pH 5,2), 5 мл. Ср. фиг. 10 и 11.
Концентрации, значения pH и введенные дозы
различных веществ, использованных
в опытах с инъекцией
Вещество Концен- трация, % pH Доза, см3
Молочная кислота 0,1 3,3 1
0,2 1
0,3 2,8 1
0,4 1
Уксусная кислота 0,01 6,4 1
0,05 1
0,1 4,2 1
0,3 1
0,5 3,2 1
Морская вода, насыщен-
ная СО2 5,2 1
5,2 5
Суточная ритмическая активность морского пера
557
по-видимому, эффект, наиболее близкий к тому, что наблюдается в природе
(фиг. 10). Распускание морских перьев под действием СО2 идет так же, как
и в естественные вечерние часы. Обработанные таким образом животные
обычно через несколько часов начинают вновь сокращаться. Надо заметить,
что с наступлением ночи использованные в этих опытах колонии морских
перьев вступают в обычную активную фазу. По-видимому, в этом случае
существенное значение имеет отсутствие света.
Изменение концентрации Н+-ионов в полостной жидкости распустив-
шихся колоний изображено на фиг. 11. Можно видеть, что по прошествии
некоторого времени с момента инъекции степень распускания колонии
увеличивается, а концентрация Н+-ионов при этом уменьшается.
Важно выяснить, вызывается ли наблюдаемый эффект действием самого
Н+-иона или такими анионами, как СН3СОО", СН3СНОНСОО", НСО~
и т. д. Чтобы ответить на этот вопрос, мы поставили опыты, в которых обо-
гащенную СО2 морскую воду нейтрализовали аммиаком. Результаты при-
ведены на фиг. 12. Ясно, что при использовании такой нейтрализованной
воды эффект оказывается ничтожным. Можно, следовательно, заключить,
что наблюдаемый эффект действительно зависит от концентрации Н*-ионов.
Г. ДВА ТИПА ВОЗДЕЙСТВИЙ, РЕГУЛИРУЮЩИХ АКТИВНОСТЬ
С физиологической точки зрения суточная активность может возникать,
с одной стороны, как ответная реакция на изменение освещенности (это
может быть связано с системой нервной сети), а с другой — может быть
обусловлена внутренними метаболическими циклами. В природе оба эти
фактора действуют совместно, но в условиях эксперимента их можно разъе-
динить.
Если продольно разрезать ствол морского пера, не разрезая его осно-
вания, то через несколько дней рана затягивается и можно наблюдать
нормальное разбухание и сокращение каждой половины колонии в отдель-
ности (фиг. 13). Поведение каждой половины ствола можно записывать
на закопченной бумаге описанным выше способом.
На фиг. 14 показаны результаты такой записи. Кривые, полученные
от двух половин, имеют очень сходный вид. Затем в дневные часы, когда
колония находилась в сокращенном состоянии, в вершину одной половины
дважды через небольшой промежуток времени инъецировали по 0,5 сж3
морской воды, содержащей 0,3% молочной кислоты. Результаты этого
опыта приведены на фиг. 15. Сразу же после первой инъекции наблюдалось
слабое движение или разбухание как инъецированной, так и неинъецирован-
ной половины; вскоре они возвращались к исходному состоянию. При вто-
рой инъекции неинъецированная половина ведет себя так же, как и в пер-
вом случае, тогда как инъецированная немедленно начинает распускаться.
Эти результаты можно истолковать следующим образом. Слабое набухание
неинъецированной ветви происходит в результате раздражения, передан-
ного из инъецированной половины по нервной сети. В этом случае вслед-
ствие сочетания ингибирующего воздействия света и физиологической
«неподготовленности» организма дальнейшее распускание не происходит
и восстанавливается нормальное сокращенное состояние. Напротив, инъе-
цированная ветвь после накопления в ней нужного количества молочной
кислоты (возможно, благодаря увеличению концентрации Н+-ионов) начи-
нает распускаться. Вполне возможно, что такое поведение животного
связано с изменением метаболического состояния полостной жидкости.
3
Фиг. 13. Колония с продольно расщепленным стволом (4) и поведение ее в течение
дня (Б, слева) и ночи (Б, справа).
1 — основание; 2 — ствол; 3 — линия, по которой проведен разрез.
Ф и г. 14. Нормальное поведение двух половин (А и Б) расщепленного вдоль ствола
морского пера в ночные часы.
Провал на верхней фигуре (обозначенный а) возник в результате не сокращения ветви, а изгиба-
ния ствола. Указаны размеры каждой из ветвей в отдельные моменты времени.
0,6см ^0,1см
Б —
8/lO 9,30 11 12 13 74
Время суток
77
Фиг. 15. Поведение двух половин (А и Б) расщепленного вдоль ствола морского
пера, в одну из которых (4) дважды инъецирована 0,3-процентная молочная кислота
по 0,5 мл (вторая ветвь — без инъекции).
Стрелки указывают время инъекции.
Суточная ритмическая активность морского пера
559
Если это изменение мало, ингибирующее действие света, осуществляемое
через посредство чувствительных (нервных) клеток, может играть преоб-
ладающую роль (это проявляется в первый момент после инъекции). Таким
образом, мы пришли к заключению, что существует различие между реак-
цией на раздражение, распространяющейся по нервной сети, и реакцией
на изменение метаболического состояния.
КОРРЕЛЯЦИЯ МЕЖДУ ПОВЕДЕНИЕМ И ФИЗИОЛОГИЧЕСКИМИ
ФАКТОРАМИ
Как было отмечено выше, фаза суточной ритмической активности мор-
ского пера может быть легко сдвинута в соответствии со сдвигом фазы осве-
щения, если этот последний не слишком велик. Но с увеличением сдвига
фазы освещения синхронизация становится все более и более затрудненной;
некоторые животные начинают проявлять в этих условиях нерегулярную
Фиг. 16. Экспериментальные (/) и гипотетические (//—IV) кривые, иллюстрирующие
связь между циклическим изменением концентрации водородных ионов в полостной
жидкости и поведением колонии.
Подробное объяснение см. в тексте.
ритмику, тогда как другие сохраняют 24-часовую ритмическую активность.
Сходное явление наблюдалось и для многих других организмов.
Следующая задача состоит в поисках корреляции между поведением
животных, с одной стороны, и их физиологическим состоянием и факторами
внешней среды — с другой. Выше уже были упомянуты случаи проявления
такой корреляции. Теперь мы попытаемся обосновать гипотезу, предложен-
ную нами для объяснения связи между изменением концентрации Н+-ионов
в полостной жидкости и активностью животных.
Мы уже приводили данные о колебании величины pH полостной жид-
кости в течение суток (см. фиг. 6). Если выразить pH в виде концентрации
Н+-ионов, получаются кривые, изображенные на фиг. 16. Здесь площадь
А указывает вариабельность концентрации Н+-ионов в момент наивысшего
ее значения (которая в норме наблюдается в сумерки) и Б — вариабельность
в период наименьших значений, которые обычно наблюдаются в то время,
когда колония начинает сжиматься. В первом случае разброс много больше,
чем во втором. В норме (обычно при световом режиме 12 : 12) ход изменений
соответствует кривой I. При световом режиме 9 : 9 изменения гипотети-
чески должны описываться кривой II (если предположить, что скорость
изменений такая же, как в норме). В этом случае крайние значения функции
560
С. Мори
оказываются в пределах нормального разброса. В результате осуществляет-
ся гармония между поведением, физиологическими ритмами и внешним
периодическим режимом, т. е. полная синхронизация.
При световом режиме 6 : 6 или 18 : 18 (кривые Ш и /V) картина полу-
чается иной. Крайние значения функции лежат вблизи границы площади А,
некоторые точки могут оказаться внутри этой площади, другие — вне
ее. В результате некоторые особи действуют синхронно с внешними усло-
виями, другие начинают функционировать нерегулярно, а третьи сохра-
няют нормальный ритм независимо от ритма изменений условий среды [12].
Эти теоретические построения основаны только на изменении концен-
трации Н+-ионов в полостной жидкости. Однако, конечно, не следует исклю-
чать возможного влияния и других физиологических или метаболических
факторов. И как бы сложны ни были эти корреляции, мы полагаем, что
они действительно существуют, по крайней мере у морского пера.
ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ
Явление суточной ритмической активности в последнее время рас-
сматривали и обсуждали с различных точек зрения очень многие авторы
[17—23]. В связи с этим явлением возникает целый ряд проблем, ноя хотел
бы обсудить лишь два момента: во-первых, взгляды Брауна, который наи-
большее значение придает ритмам экзогенного происхождения, и, во-вто-
рых, вопрос о выработке устойчивых ритмов в ходе эволюционного про-
цесса. Эти две проблемы представляются нам в настоящее время наиболее
важными.
Браун предложил модель часов, зависящих от внешних условий, и зая-
вил, что «все основные факты, которые были приведены в поддержку существо-
вания независимых внутренних часовых систем с периодом, близким к 24 час
(но редко равным точно 24 час), можно вполне рационально объяснить
на основании естественной периодичности организмов, точно согласующейся
с геофизическими периодами» [19]. Он считает эти индуцированные внеш-
ними условиями ритмы более важными, более фундаментальными, чем
обнаруживаемые обычно эндогенные ритмы, которые характеризуются
широкой способностью к сдвигу фазы [22]. В свете фактов, установленных
на морском пере, я не могу полностью согласиться с этой теорией. Я пола-
гаю, что именно эндогенные метаболические циклы являются действитель-
ной основой для ритмической деятельности морского пера. В пользу этого
взгляда свидетельствует целый ряд данных.
1. При помещении животных в условия постоянной темноты или непре-
рывного освещения сдвиг фазы активности (в одних случаях он происходит
плавно, в других — скачком) не зависит от времени дня.
2. Каждая колония обладает характерным, лишь ей присущим рисунком
ритма активности. В этом проявляется индивидуальность колоний, при-
чем некоторые из них обладают даже бимодальной активностью.
3. Ритмическая активность связана с различными биохимическими
процессами, и мы легко можем вызвать у морского пера активную фазу,
изменяя концентрацию Н+-ионов в полостной жидкости.
4. В условиях разных световых режимов ритм активности морского
пера различен, и можно понять происхождение этих различий, сопоставив
изменения концентрации Н+-ионов в полостной жидкости с изменениями
активности. Возможно, конечно, что концентрация Н+-ионов служит лишь
одним из общих показателей хода сложных метаболических процессов.
Суточная ритмическая активность морского пера
561
5. Создается впечатление, что в интервале 15—30° поведение колоний
не зависит от температуры. Заметные изменения появляются при темпе-
ратуре ниже 13°, когда движения животных становятся медлительными,
а активная фаза в условиях постоянной темноты часто продолжается более
2 дней. Но я думаю, что, строго говоря, температурная независимость пове-
дения даже в теплые сезоны (15—30°) представляет собой лишь поверхност-
ный эффект. Во всяком случае, независимость явления от температуры
можно объяснить и без помощи экзогенной теории. В качестве примера
рассмотрим изменение значения pH полостной жидкости в течение ночи
в зимний сезон (см. фиг. 7). Используя фиг. 16, можно понять температур-
ную независимость следующим образом. Наклон кривой, характеризующей
изменение концентрации Н+-ионов, указывает на скорость, с которой идет
накопление или расходование ионов. При изменении наклона (например,
он становится более пологим в холодной воде) нормальная активная фаза
будет сохраняться в том случае, если достигаемое в ходе ритмической актив-
ности нижнее или верхнее значение pH будет попадать в области А или Б.
Можно представить себе и другое объяснение: если даже скорости различ-
ных метаболических процессов и уменьшаются при понижении темпера-
туры, ритм может при этом сохраниться благодаря тому, что между этими-
процессами существует автоматическое временное согласование. Однако
подобные рассуждения нуждаются в детальной экспериментальной про-
верке.
Итак, мы полагаем, что ритмическая активность морского пера опре-
деляется общим состоянием колонии. Она возникает просто в результате
того, что животное живет, и нет необходимости искать специальные центры
или специальные часы, расположенные в определенных участках организ-
ма. Такие физические часовые механизмы, очевидно, склонен предполагать
Бюннинг [21]. Однако мне трудно допустить существование подобных
систем в организме морского пера. Независимо от того, насколько сложными
могут оказаться метаболические процессы, я полагаю, мы должны детально
изучать именно их, и только на этом пути можно будет достигнуть окон-
чательного разрешения нашей проблемы. Упрощенные физические модели,
если их применять слишком широко, могут оказаться крайне поверхностны-
ми и далекими от реальных процессов, протекающих в живом организме.
Таким образом, я склонен скорее поддержать точку зрения Питтендрая,
который решительно отвергает экзогенную теорию ритмов и считает необ-
ходимым глубоко изучать систему «эндогенных устойчивых колебаний»,
как он ее называет с позиции биохимии.
Теперь рассмотрим вопрос о происхождении устойчивых эндогенных
ритмов активности. В природе эндогенная ритмическая активность имеет
для каждой особи существенное приспособительное значение. Однако про-
исхождение ее следует искать в экзогенной активности, строго контроли-
руемой внешними условиями. На определенном этапе эволюции поведение
организмов в значительной степени определялось условиями внешней среды.
С течением времени в результате однообразного повторения определенного
образа жизни в мало изменяющихся условиях характер ритмов все больше
и больше закреплялся, так что они постепенно теряли зависимость от изме-
нений окружающей среды. В конце жонцов это привело к появлению эндо-
генной активности [24—26]. И в самом деле, проведенные нами недавно
опыты с ритмами вылета Drosophila показали, что характер наследуемых
ритмов может быть изменен в результате изменения условий существова-
ния. Я надеюсь, что в ближайшем будущем эти результаты будут опубли-
кованы.
562
С. Мори
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В естественных условиях суточный ритм активности морских перьев
определяется, по-видимому, двумя причинами: световым режимом и внутрен-
ними физиологическими факторами. В теплой воде (30—15°) температура
практически не влияет на этот ритм, нов холодной воде (ниже 13°) действие
температурного фактора оказывается заметным в результате существенного
снижения интенсивности метаболических процессов. Такие внешние фак-
торы, как наличие пищи, присутствие врагов, внутривидовые взаимоотно-
шения, мало влияют на активность изучавшихся нами животных.
Мы полагаем, что, несмотря на всю сложность циклических метаболи-
ческих процессов, именно они являются тем фактором, который определяет
ритм активности. И, по крайней мере для морского пера, совершенно нет
необходимости предполагать существование специальных внутренних
часов.
Таким образом, значение внешних и внутренних факторов в формиро-
вании суточной ритмической активности морского пера можно сравнивать
с разных точек зрения. Если рассматривать ритмическую активность в том
виде, в каком она существует в настоящее время,— большое значение
имеют внутренние факторы, т. е. метаболические процессы, протекающие
в клетках и тканях. Если же рассматривать эту проблему с точки зрения
происхождения ритмов в ходе эволюции, роль факторов внешней среды
представится значительно более важной.
ЛИТЕРАТУРА
I. М о г i S., Daily rhythmic activity of the seapen, Cavernularia obesa Valenciennes.
I. Observations in nature, Zool. Mag., 55, 285—291 (1943).
2. M о r i S., do. II. Activities under constant] darkness and constant illumination,
Zool. Mag., 55, 247—253 (1943).
3. M о r i S., do. III. Controlling of the activity by light. (1), Zool. Mag., 56, 81—85
(1944).
4. M о r i S., do. IX. Activities when kept long under constant darkness, Physiol,
and Ecol., 1, 8—14 (1947).
5. M о r i S., do. IV. Observations of the activity in winter, Zool. Mag., 56, 86—90
(1944).
6. M о r i S., do. V. Activities under constant illumination and constant darkness
in winter and influence of water temperature, Zool. Mag., 56, 91—95 (1944).
7. M о r i S., do. XI. Controlling of the activity by light, (2), Physiol, and Ecol.,
3, 32—37 (1949).
8. M о r i S., О n d о Y., do. XV. Controlling of the activity by light (3), Publ. Seto
Mar. Biol. Lab., 6, 79—98 (1957).
9. M о r i S., Individuality of daily rhythmic activity and working hours, Kyodai
Seiri Seitai, 18 (1945).
10. M о r i S., Daily rhythmic activity of the sea-pen, Cavernularia obera Valenciennes.
VI. Analysis of the endogenous rhythm, Zool. Mag., 56, 96—100 (1944j.
11. Mori S., do. VIII. Endogenous daily rhythmic activity, Kyodai Seiri Seitai,
19 (1945).
12. Mori S., do. XII. Conclusions — Problems on relations among environments,
behaviors and internal physiological conditions, Physiol, and Ecol., 4, 14—20
(1950).
13. Takada N.,Mori S., do. XIII. Rhythmic change of ammonium content Jn body
fluid. (1), Zool. Mag., 65, 359—361 (1956).
Суточная ритмическая активность морского пера
563
14. Т а к a d a N., М о г i S., do. XIV. do. (2). Zool. Mag., 66, 284—288 (1957).
15. Mori S., do. VII. Change of reaction to light through a night, Zool. Mag., 56,
101 — 104 (1944).
16. Mor i S., do. X. Two kinds of stimulus which control the activities, Physiol, and
Ecol., 2, 34—38 (1948).
17. Aschoff J., Tierische Periodik unter dem Einfluss von Zeitgebern, Z. f. Tier-
psychologie, 15, 1—30 (1958).
18. В a i 1 1 a u d L., Rythmes endogenes et rythmes exogenes, notamment chez
les vegetaux, Ann. Biol., 34, 299—329 (1958).
19. В г о w n F. A., Living clocks, Science, 130, 1535—1544 (1959).
20. В r u с e V. G., P i t t e n d r i g h C. S., Endogenous rhythms in insects and
microorganisms, Amer. Nat., 91, 179—195 (1957).
21. В ii n n i n g E., Die physiologische Uhr, Berlin, Springer Verlag, 1958.
22. P i t t e n d r i g h C. S., Perspective in the study of biological clocks, p. 239—
268. Perspectives in Marine Biology, ed. A. A. Buzzati-Traverso, Berkeley, Univ,
of Calif. Press, 1958.
23. Webb H. M., Brown F. A., Timing long-cycle physiological rhythms, Physiol-
Rev., 39, 127—161 (1959).
24. Mori S., General considerations on the relation between the behavior rhythm and
the environmental periodicity, Kyodai Seiri Seitai, 39 (1945).
25. Mori S., A concept of the mechanism of the endogenous daily rhythmic activity,
Mem. Coll. Sci., Kyoto Univ., Ser. B, 19, 1—4 (1947).
26. M о r i S., Harmony between behavior rhythm and environmental rhythm, Mem.
Coll. Sci., Kyoto Univ., Ser. B, 19, 71—74 (1948).
ОБСУЖДЕНИЕ ДОКЛАДА
Харкер. Можете ли Вы привести размеры колонии морского пера
в сокращенном и распустившемся состоянии? Как сильно изменяется общий,
объем энтероцеля при инъекции 5 см3 жидкости?
Мори. В сокращенном состоянии длина колонии составляет около
15 см, диаметр около 2,5 см, в распустившемся состоянии — длина около
50 см, диаметр около 4 см. Объем энтероцеля сократившихся колоний равен
примерно 30 см3; следовательно, введение 5 см3 жидкости увеличивает
объем примерно на 16%.
ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ЦИРКАДНЫХ
РИТМОВ
ДЖ. КЛАУДСЛИ-ТОМПСОН
Приспособительное значение циркадных
ритмов
о
ВВЕДЕНИЕ
Оценить приспособительное значение ритмов активности у животных
довольно трудно по двум причинам. Во-первых, взаимодействие физиоло-
гических и экологических факторов, как правило, крайне сложно; во-
вторых, те факторы среды, от которых зависят ритмы, — синхрониза-
торы, или датчики времени, — могут не иметь прямого отношения
к наиболее важным для животного экологическим факторам. Например,
расположение паутины средиземноморского паука Filistata insidiatrix (Forsk.)
сильно зависит от температуры, хотя сами пауки в течение всего дня остаются
в своих теплоизолированных трубках. Этот вид пауков питается главным
образом мокрицами, которые, каки пауки, относятся к ночным животным
и чаще всего располагаются на холодных сырых камнях; в таких местах
и находится больше всего паутины [1]. Ритм активности мокриц Oniscus as-
ellus (L.) зависит от светового цикла и не зависит от температуры и влаж-
ности, и в то же время влажность для этих животных, пожалуй, наиболее
важный экологический фактор [2].
В данной статье я попытался проанализировать приспособительное зна-
чение циркадных ритмов активности, иллюстрируя этот анализ примера-
ми, отобранными из многочисленных литературных данных. Следует пом-
нить, однако, что эти функции в сильной степени перекрываются между
собой, так что для их классификации пришлось крайне упростить положе-
ние дел. Для многих опубликованных работ, касающихся ритмов, харак-
терно, что экспериментаторы основное внимание уделяют исследованию
физиологической природы этого явления, а об его экологическом значе-
нии высказывают лишь свои догадки и предположения.
Приспособительное значение циркадных ритмов
565
ВОДНЫЕ ЖИВОТНЫЕ
СУТОЧНЫЕ РИТМЫ ПЛАНКТОНА
Суточные миграции крайне характерны для свободно плавающих планк-
тонных организмов. Это явление хорошо изучено и рассматривается во мно-
гих обзорах [3—6].
Большинство планктонных видов, как правило, избегает сильного
света, причем каждый вид отдает предпочтение свету определенной интен-
сивности, разной для разных видов. Поэтому близко к поверхности моря
этих организмов почти нет. Они располагаются на различных глубинах
в соответствии со своей специфической реакцией на свет. В сумерки планк-
тон поднимается ближе к поверхности, но с наступлением полной темноты
рассеивается по всей толще воды. На рассвете он вновь мигрирует к
поверхности воды и по мере повышения интенсивности света опускается
глубже.
Разумеется, глубина погружения фитопланктона определяется интен-
сивностью света, оптимальной для фотосинтеза, и на этой глубине скапливает-
ся большое число организмов. В то же время животные организмы, естест-
венно, держатся в тех слоях воды, где они могут найти обильную пищу.
Но такое объяснение является далеко не полным.
Суточные миграции наблюдаются даже у глубоководных животных.
Например, миграции видов, населяющих особенно обильно Саргассово
море, безусловно связаны со сменой дня и ночи. Кроме того, нижний пре-
дел проникновения света некоторой интенсивности, определяющей верти-
кальное распределение животных (около 1000 м в чистой воде), одновре-
менно связан с заметными колебаниями температуры, концентрации соли,
содержания кислорода и фосфатов. Поэтому считается, что распределение
большей части глубоководного макропланктона выше глубины 1000 м
определяется комбинацией перечисленных факторов [7].
Различные факторы среды, управляющие суточной миграцией зоо-
планктона, можно расположить в следующем порядке: а) свет, обычно
явно доминирующий над другими факторами; б) температура (при повы-
шении ее выше 20° этот фактор приобретает очень большое значение, иногда
даже большее, чем свет); в) другие факторы: концентрация соли, содержа-
ние кислорода и т. д. [5].
Конкретный механизм, с помощью которого организмы поддержи-
ваются на оптимальной глубине, может быть связан с фототаксисом,
геотаксисом, а также с повышением или понижением скорости движения.
Возможен комбинированный механизм; как следует из экспериментов, вы-
полненных в лабораторных условиях, разные виды используют различные
механизмы [6].
Было показано, что суточный цикл миграции планктонных рачков
состоит из четырех частей: подъем из глубин, на которых животные нахо-
дились в течение дня; полуночное погружение; подъем во время рассвета
и опускание на дневные глубины. Вечерний подъем и утреннее погружение
связаны с уменьшением и увеличением глубины проникновения света. Ноч-
ное погружение, вероятно, объясняется пассивным состоянием организмов
в полной темноте, а подъем их на рассвете — возвращением к условиям
оптимальной интенсивности света. Это подтверждается тем, что последова-
тельность во времени появления некоторых пресноводных организмов
у поверхности воды совпадает с соответствующей последовательностью
566
Дж. Клаудсли-Томпсон
глубин, на которых эти организмы могут быть найдены в полуденные
часы. Миграция между периодами полной темноты может быть вызвана
фотокинезом, фототаксисом или комбинацией этих механизмов [3].
Недавно было показано, что популяция Daphnia magna Straus в аквариу-
ме, заполненном суспензией китайской туши в водопроводной воде, про-
ходит полный цикл вертикальной миграции. За «утренним» приближением
к поверхности воды при освещении светом низкой интенсивности следует
погружение животных на характеристическую максимальную глубину.
С понижением интенсивности света животные вновь приближаются к поверх-
ности; наконец, в полной темноте происходит типичное полуночное погру-
жение. Значения интенсивности света для каждого уровня погружения
животных примерно совпадают с соответствующими значениями в естествен-
ных условиях [8].
Оптимальная интенсивность света является очень важным, но не
единственным фактором, влияющим на вертикальную миграцию планкто-
на. Некоторые животные, обычно находящиеся днем на глубине, могут
вдруг оказаться на поверхности при ярком солнечном свете. Результаты
траления на разных глубинах также ясно показывают, что животные из
одной и той же популяции в одних и тех же условиях ведут себя неодина-
ково. При миграции большинства животных к поверхности какая-то их
часть обычно остается на глубине.
Харди [9] подробно обсуждает этот вопрос и полагает, что вертикаль-
ная миграция возникла потому, что животные должны постоянно нахо-
диться в меняющихся условиях внешней среды — такие непрерывные
изменения недоступны пассивно дрейфующим животным. Вода почти никогда
не течет с одинаковой скоростью на разных глубинах; как правило, поверх-
ностные слои перемещаются быстрее, чем глубинные. Поэтому, плавая
в горизонтальном направлении, морские животные находятся примерно
в одинаковых условиях и не испытывают тех изменений, которые несет
с собой движение в вертикальном направлении. Тот же автор выдвигает
гипотезу для объяснения некоторых явлений, наблюдаемых в миграции
планктона. Согласно этой гипотезе, вертикальная миграция зоопланктона
в значительной мере зависит от распределения фитопланктона. Предпола-
гается, что большинство животных питается в зонах с высокой концентра-
цией фитопланктона, но проводит там очень небольшое время, что, по-
видимому, связано с опасностью отравления. Следовательно, большинство
животных располагается в глубине, вне фитопланктонных зон. Какая-то
часть животных, которая может оставаться в поверхностных слоях про-
должительное время, естественно, более сконцентрирована в этих областях.
Подобное объяснение в основном носит умозрительный характер —
правда, некоторые жгутиковые действительно оказывают отравляющее
действие.
Может быть и так, что в какой-то период времени животные концентри-
руются в областях, богатых фитопланктоном; там они интенсивно кормятся
и через некоторое время посредством вертикальной миграции перемещаются
в другие слои. Безусловно, вертикальная миграция планктона несет в себе
важные адаптивные функции, что следует уже из ее повсеместного распро-
странения; однако их точная природа и место среди прочих адаптивных
функций пока не установлены.
Приспособительное значение циркадных ритмов
567
НАЗЕМНЫЕ ЖИВОТНЫЕ
ЗНАЧЕНИЕ ФИЗИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ СРЕДЫ
Общие соображения
Переход от дня к ночи сопровождается целым рядом климатических
изменений. С наступлением темноты температура понижается и увеличи-
вается влажность воздуха. Часто меняется атмосферное давление, а также
интенсивность космического излучения. Из всех этих изменений имеет
наиболее существенное значение и происходит наиболее регулярно измене-
ние интенсивности света. Поэтому не удивительно, что свет служит основным
фактором среды, с которым синхронизирована циркадная периодичность
живых организмов. Свет «господствует» над всеми остальными факторами.
Только в тех случаях, когда его интенсивность поднимается выше или
падает ниже определенных пороговых значений, начинают проявляться
эффекты температуры, влажности и прочих факторов.
Понятно, что естественный отбор благоприятствует тем организмам,
которые могут приспосабливаться к периодическим изменениям среды;
поэтому следует ожидать существования у животных адаптивных ритмов,
регулирующих физиологические процессы и общий характер поведения.
Другими словами, у животных, живущих в периодически изменяющихся
условиях, обязательно должны существовать физиологические «часы». Воз-
можно, единственная существенная разница между «экзогенными» и «эндо-
генными» ритмами заключается в более быстром приспособлении «экзоген-
ных» ритмов к изменениям среды.
Жизнь на суше требует решения множества проблем. Более крупные
животные должны иметь поддерживающий скелет, дыхательные органы
должны быть приспособлены к атмосферному воздуху; кроме того, надо
как-то освобождаться от ядовитых, подлежащих экскреции, соединений,
которые у водных животных просто диффундируют в воду. У мелких живот-
ных очень велика поверхность их тела по сравнению с массой; следовательно,
для них особую важность приобретает проблема сохранения воды в орга-
низме и поддержания приблизительно постоянных условий во внутренних
органах. Наземные беспозвоночные настолько малы, что проблема сохране-
ния воды становится для них первоочередной проблемой существования.
Для более крупных позвоночных эта проблема отходит на второй план.
Многие наземные беспозвоночные — черви, губоногие, мокрицы, мно-
гоножки, ногохвостки и другие обитатели почвенного покрова — проводят
большую часть времени, если не все время, в сырых местах и таким путем
избегают потери влаги. У других — насекомых, пауков, клещей — кутику-
ла покрыта тонким слоем воска, сравнительно непроницаемым для водяных
ларов, благодаря чему потеря воды путем испарения сводится к минимуму.
Конечно, этот слой непроницаем и для кислорода и углекислого газа, так
что должен еще существовать дыхательный аппарат, который обеспечивает
газовый обмен при минимальной потере воды. Стигмы насекомых и листо-
видные легкие пауков и других паукообразных обычно поддерживаются
специальными мышцами в закрытом состоянии; только при скоплении
в организме углекислого газа они открываются и тем самым обеспечивают
ход дыхательных процессов. Можно легко показать путем взвешивания,
что у насекомых и паукообразных скорость потери воды в результате испаре-
ния резко возрастает, если количество углекислого газа в воздухе дости-
гает 5%,— в этом случае дыхательные отверстия животных полностью
открыты. Незадолго до линьки под старой кутикулой образуется новый
568
Дж. Клаудсли-Томпсон
восковой слой, так что в процессе линьки потеря воды минимальна [10,
11 и др.]. Помимо описанного морфологического и физиологического при-
способления к жизни на суше, насекомые и паукообразные имеют еще
одну особенность: их продукты выделения — соответственно мочевая кисло-
та и гуанин — почти совершенно нерастворимы в воде; таким образом,
азотистые соединения, содержащиеся в экскретах, могут быть удалены
в сухом состоянии, совершенно без потери воды.
Таким образом, экологически наземные членистоногие могут быть
грубо разделены на две основные группы (фиг. 1). В первую входят мокрицы,
Фиг. 1. Зависимость скорости потери воды в сухом воздухе от
температуры и дефицита влажности воздуха для мокриц (/), много-
ножек (//), пауков (///) и насекомых (IV).
Для мокриц и многоножек скорость потери воды пропорциональна дефи-
циту влажности воздуха; для пауков и насекомых при температурах ниже
35° скорость потери воды пренебрежимо мала. Температура 35° является
критической температурой, при которой восковое покрытие кутикулы ста-
новится пористым.
губоногие, многоножки и сходные с ними организмы — все эти животные
в сухом воздухе быстро теряют воду путем испарения через покровы тела
[12—15 и др.]. Поэтому в результате действия соответствующих рефлектор-
ных механизмов они постоянно обитают в сырых и темных местах и поки-
дают их только ночью, когда температура понижается и увеличивается
относительная влажность [13, 16—18 и др.]. Вторую группу образуют
насекомые и паукообразные; эти животные сравнительно мало зависят
от влажности среды, так как их поверхность покрыта непроницаемым слоем
воска и этот слой спасает животных от высыхания. Следовательно, их
нельзя считать в основном ночными животными [13, 14, 16, 19 и др.]. Они
гораздо менее стеснены физическими факторами среды, так что их поведение
в основном определяется биотическими факторами.
Вполне возможно, что выход многих групп беспозвоночных из воды
на сушу осуществлялся через почвенный слой, где испарение влаги не при-
водит к высыханию. Тогда филогенетический ряд — кольчатые черви,
мокрицы и многоножки, насекомые и паукообразные — может быть постав-
лен в соответствие последовательным изменениям, связанным с разными
условиями жизни в воде, почве и воздухе. Возможно, бескрылые насекомые,
а также те крылатые насекомые и паукообразные, которые лишены воско-
вого покрытия кутикулы и поэтому вынуждены обитать в почве, представ-
Приспособительное значение циркадных ритмов
569
ляют собой промежуточную стадию в эволюции наземных животных [20].
Показательно, что многие неполовозрелые насекомые живут в почвенном
слое и являются ночными животными; в сухом воздухе они теряют много
влаги, но по достижении зрелости приспосабливаются к испарениям в возду-
хе и становятся дневными. Интересный пример повторения филогенеза
в онтогенезе!
Все проблемы адаптации, связанные с жизнью на суше, взаимосвяза-
ны. Например, если наружный покров животного достаточно тверд и может
быть использован в качестве опоры, то рост обязательно должен быть сопря-
жен с линькой; в этом случае размеры животного довольно ограниченны.
Они не могут быть велики и у тех животных, у которых дыхательная система
состоит из трахей и трахеолей. Физиология питания и выделения тесно
связана с проблемой сохранения воды. Эти основные морфологические
и физиологические требования сочетаются с разнообразными характери-
стиками поведения и экологии организмов, которые удерживают их в тех
условиях, к каким они приспособлены, т. е. могут находить пищу, спари-
ваться и выполнять все функции, необходимые для существования каждого
из видов.
Мелкие формы, интенсивно испаряющие влагу
Мокрицы обладают суточным ритмом активности и с наступлением ночи,
когда понижается температура и увеличивается влажность атмосферного
воздуха, выползают из своих укрытий. Этот ритм связан с чередованием
света и темноты и не зависит от изменений температуры и влажности, хотя
именно последние факторы среды имеют для этих животных наибольшую
важность [2]. На открытой местности мокрицы испытывают от света и недо-
статочной влажности своего рода «кинетическое возбуждение» и быстро
движутся в наудачу выбранном направлении, пока не окажутся в сравни-
тельно темном сыром месте. Они обладают отрицательным фототаксисом,
но ориентироваться на местности так, чтобы достичь влажных мест по крат-
чайшему пути, не могут и произвольно движутся то в одну, то в другую
сторону; с увеличением влажности воздуха движение их замедляется, пока
они в конце концов не остановятся [21—23].
С помощью специальных камер переменной влажности удалось уста-
новить, что у мокриц реакция на влажность сильнее на свету и слабее
в темноте, а ночью становится совсем слабой; в сухом воздухе она сильнее,
чем во влажном. Движение из освещенных мест проявляется более активно
у ‘животных, находившихся перед этим в темноте, и вначале наблюдается
даже в сухом воздухе, тогда как контрольные животные при достаточном
уменьшении влажности движутся к свету. Во время активной фазы мокри-
цы характеризуются повышенной чувствительностью к изменениям других
внешних факторов, например к изменению содержания углекислого газа
в воздухе.
Приведенные экспериментальные результаты можно связать с эколо-
гией рассматриваемых видов в ночное время. Ночью мокрицы часто встре-
чаются в сухих местах; как уже говорилось, днем они находятся под камня-
ми, бревнами и в других сырых и темных укрытиях, где условия примерно
постоянны. С наступлением ночи действие факторов, которые в течение
дня удерживают животных в их укрытиях, ослабляется. Но в самих укры-
тиях условия не меняются, и сразу не видно причин, по которым животные
ночью покидают их. Появление двигательной активности с наступлением
ночи должно быть связано с эндогенным суточным ритмом, играющим
роль физиологических «часов». Как раз в это время чувствительность живот-
570
Дж. Клаудсли-Томпсон
ных наиболее высока и они легко возбуждаются. Большинство мокриц
редко появляется днем в открытых местах, но даже таких случайных появле-
ний может быть достаточно для поддержания эндогенного ритма в фазе
с 24-часовым циклом изменений среды [2]. Наблюдение за поведением
Р. scaber в естественных условиях показало, что увеличение длины дня
в весеннее время приводит к сокращению продолжительности активного
состояния; при этом никаких четких связей между активностью и измене-
ниями температуры или относительной влажности обнаружено не было [24].
Благодаря тому что ночью реакция мокриц на влажность ослаблена,
они могут находиться в ночные часы в сухих местах, где их никогда не быва-
ет в дневное время. После продолжительного пребывания в темноте их
фотоотрицательная реакция усиливается; поэтому с наступлением рассвета
они быстро уползают в укрытия и тем самым спасаются от врагов. Вместе
с тем, если в их убежище становится очень сухо, мокрицы не дожидаются
гибели от высыхания: в сухом воздухе их фотореакция становится положи-
тельной и они ползут на свет, пока не попадут в более сырое место; тогда
фотореакция вновь становится отрицательной и они находят себе новое
убежище [2]. Даже мокрицы Hemilepistus reaumuri (And.), обитающие
в пустынях, обладают 24-часовой периодичностью; их поведение в зависи-
мости от влажности среды вполне сходно с поведением мокриц, обитающих
в условиях умеренного климата. Хотя пустынные виды мокриц могут
продолжительное время находиться в сухих и жарких местах, для них не
существует «критической температуры», которая обычно связана с наличием
водонепроницаемого воскового покрытия у кутикулы [16].
Эдни [15, 25, 26] измерил скорость потери воды путем испарения для
нескольких британских видов мокриц. Оказалось, что в этом отношении
они располагаются в следующем порядке: Philoscia muscorum (Scop.)>
^Oniscus asellus L.^Porcellio scaber Latr.>Armadillidiutn vulgare (Latr.).
При температурах, лишь немного превышающих температуру замерзания,
реакция на влажность у всех видов сильно ослабляется и почти одинакова
у разных видов. При высоких температурах (30°) реакция на влажность
у Ph. muscorum и О. asellus вновь понижается. Предполагается, что это
связано с низким значением температуры, при которой у этих организмов
наступает термическая смерть: для поддержания более низкой температуры
тела увеличивается скорость испарения [27]. Реакция на влажность у мок-
риц количественно определяется дефицитом влажности и не связана с вели-
чиной относительной влажности. Специальных чувствительных органов
для оценки влажности у животных нет. Вероятно, реакция на влажность
связана непосредственно с недостатком воды в организме. Например, она
может быть результатом сгущения жидкостей тела, возбуждающих про-
приоцепторы [23].
Все виды приспособлены к тому, чтобы длительное время находиться
в атмосфере, насыщенной парами воды; зато сухой воздух и высокая темпе-
ратура переносятся организмами далеко не одинаково. Неодинаково и вре-
мя, в течение которого животные могут находиться в сухих местах. Из
упомянутых четырех видов Ph. muscorum обладает самой сильной фотоотри-
цательной реакцией; далее следуют О. asellus, Р. scaber и A. vulgare. В то
же время Ph. muscorum характеризуется наиболее выраженной, а А. vulgare —
наименее выраженной ночной активностью, как это было показано с помощью
актографических аппаратов. Поэтому можно говорить о корреляции между
степенью проявления ночной активности и способностью противостоять
потере воды путем испарения [27]. Наконец, измерения с помощью чувстви-
тельного анемометра показали, что в естественных условиях мокрицы почти
Приспособительное значение циркадных ритмов
571
никогда не выползают ночью в ветреную погоду. Скорее всего, это объясняет-
ся тем, что ветер сдувает окружающую животное воздушную оболочку,
насыщенную испаряющейся с его тела влагой. Связь между скоростью
ветра и числом мокриц, выползающих ночью из укрытий, заметна только
при температурах выше минимальной пороговой температуры 5,5° [28].
Примерно так же ведут себя многоножки, которые в сухом воздухе
тоже быстро теряют воду. Некоторые виды первоначально движутся к сухим
местам, но с потерей воды их реакция постепенно меняется на обратную.
И здесь нужная ориентация достигается кинетически; в экспериментальных
камерах переменной влажности животные проводили большую часть времени
и покрывали наибольшие расстояния во влажных частях камеры [29].
Многоножки обладают ясно выраженной эндогенной 24-часовой периодич-
ностью: днем они находятся в сравнительно постоянных условиях — под
камнями, бревнами, опавшими листьями, а ночью выползают по сигналу
какого-то внутреннего физиологического «хронометра».
Мелкие британские многоножки — Blaniulus guttulatus (Bose) и Oxi-
das gracilis (C. L. Koch) — характеризуются экзогенным суточным ритмом,
связанным в основном с чередованием света и темноты; ночная активность
непосредственно связана с возбуждением, вызванным вечерним понижением
температуры. Никакой эндогенной активности до сих пор не наблюдалось.
Актографические эксперименты позволили обнаружить эндогенный ритм
у крупных западноафриканских видов — Oxydesmus platycercus Attems
и Ophistreptus sp. Этот ритм не зависит от колебаний интенсивности света
и температуры; в условиях непрерывного освещения и постоянной темпера-
туры он поддерживался в течение 19 дней. Однако как повышение, так
и понижение температуры возбуждает двигательную активность; пред-
полагается, что изменения температуры играют главную роль в синхрони-
зации активности животного со сменой дня и ночи, так как влияние света
на активность невелико и, по-видимому, не может быть существенным эко-
логическим фактором в условиях тропических лесов, куда, проникает мало
света [30, 31].
Подобно мокрицам, многоножки избегают света, однако и их реакция
не обладает направленностью; исключением служат те формы, у которых
есть глаза. Остальные формы, попадая насвет/движутся произвольно в самые
разные стороны, пока случайно не попадут в темное место. Хотя для много-
ножек, как и для мокриц, влажность является наиболее важным фактором
среды, эти животные, как уже говорилось, не могут сразу находить нужное
направление движения, позволяющее скорей всего достигнуть сырых мест:
они движутся в произвольном направлении и меняют его, если попадают
в более сухие места. Тем не менее такое стереотипное нерациональное пове-
дение оказывается поразительно эффективным и вполне достаточно для
удержания животных вблизи их укрытий. Но в связи с этим возникает
вопрос, каким образом эти животные заселяют новые территории. Известны
случаи миграции целых армий многоножек, к которым иногда присоеди-
нялись губоногие и мокрицы. Когда их путь пересекала железная дорога,
они заполняли железнодорожное полотно в таком количестве, что приоста-
навливали движение. В этих случаях рельсы приходилось посыпать песком,
чтобы покрыть им скользкий слой раздавленных животных. Целые пастбища
становились непригодными для того, чтобы пасти на них скот; колодцы
заполнялись трупами утонувших животных, а люди, работавшие на полях,
испытывали отвращение и тошноту от запаха разрубленных мотыгами
многоножек. Однако такие массовые миграции случались довольно редко
и не захватывали больших площадей, поэтому роль их в расселении живот-
572
Дж. Клаудсли-Томпсон
ных, вероятно, ничтожна [14]. Объяснение проблемы расселения содержит-
ся в уже описанном ночном ослаблении механизма, удерживающего живот-
ных вблизи их укрытий. Таким образом, расселение животных может
происходить именно ночью, когда они могут преодолеть ограничения, нала-
гаемые физиологией их наружного покрова.
Большинство остальных наземных беспозвоночных не вполне приспособ-
лено к жизни на суше; они могут существовать только в сравнительно влаж-
ных местах и в этом отношении подобны мокрицам, губоногим и многонож-
кам. Примерами служат триклады, нематоды и кольчатые черви. С этой
точки зрения моллюски мало изучены, но и без того понятно, что улитка,
спрятавшаяся внутри раковины, или сократившийся слизень могут быть
поставлены в один ряд с членистоногими, кутикула которых покрыта слоем
воска; когда же они движутся, т. е. не защищены полностью раковиной, им
так же требуется влага, как и мокрицам. Следовательно, наземные моллю-
ски, как и мокрицы, активны главным образом ночью или сразу после дождя.
Как и у членистоногих [30, 31], у слизней двигательная активность возбу-
ждается понижением температуры [32]; активность слизней, адаптировав-
шихся к свету, от изменения интенсивности освещения не зависит.
Мелкие формы с относительно непроницаемым наружным покровом
Перед членистоногими, кутикула которых покрыта специальным слоем
воска, возникает проблема дыхательного обмена без потери воды. Внутрен-
нюю противоречивость этой проблемы можно проиллюстрировать путем
сравнения пауков Amaurobius (=Ciniflo) ferox Walck. и A. similis (Bl.).
Хотя эти виды пауков населяют одни и те же территории, A. similis
обычно обитает в более сухих местах. Актографические эксперименты пока-
зывают, что оба вида характеризуются ночной активностью — 90% их
активности падает на период темноты. При исследовании проблемы сохра-
нения воды обнаружено, что существует критическая температура — око-
ло 35°, выше которой оба вида в сухом воздухе быстро теряют воду путем
испарения; ниже этой температуры животные теряют воду через листовидные
легкие, причем A. ferox теряет воду быстрее, чем A. similis. При содержа-
нии в воздухе 10% углекислого газа листовидные легкие пауков все время
открыты и скорость потери воды удваивается. Время жизни при таком
повышенном содержании углекислого газа в воздухе с относительной влаж-
ностью 50%, а также в сухом воздухе у пауков A. similis больше, чем
у A. ferox; гибель наступает после того, как 20—25% общего веса теряется
в результате испарения.
Однако A. similis быстрее «устает», если его заставить двигаться с макси-
мальной скоростью без остановки; если в воздухе много кислорода, пауки
этих двух видов могут бегать довольно долго. A. ferox, у которого легочных
пластинок больше, быстрее поддается эфирному наркозу. Следовательно,
его более высокая «выносливость» определяется пропорциональным увеличе-
нием дыхательной поверхности легких и достается ему ценой большей зави-
симости от влажности среды [33].
При рассмотрении членистоногих с непроницаемым наружным покровом
понять адаптивное значение ночной активности почти так же трудно, как
и в случае более крупных позвоночных животных. Иногда основную роль
играют физические факторы среды, особенно температура и влажность.
В других случаях, по-видимому, важнее биотические факторы.
Физические факторы среды должны иметь особенно большое экологи-
ческое значение для животных, живущих в пустынях, где изменение этих
Приспособительное значение циркадных ритмов
573
«факторов очень велико при смене дня и ночи [13, 16, 34—401; правда, в нор-
ках на глубине всего нескольких сантиметров, в которых животные укры-
ваются в дневное время, температурные изменения значительно ниже. Напри-
мер, в августе в сухих долинах (вадях) вблизи Каира, где температура песка
на поверхности изменяется в течение суток от 17,5 до 58,2°, на глубине
18 см она меняется только от 29,3 до 37,8°; температура в тени обычно ниже
примерно на 20° [40]. В глинистых пустынях на юге Израиля в полдень
температура в тени тоже на 20° ниже, чем на солнце. В декабре на юге Три-
политании в Бир Милхе (Ливия) температура колеблется от —0,5 до 37,2°
[33, 36]. Помимо значительного уменьшения суточных колебаний темпера-
туры, норки животных имеют еще одну особенность: изменение температуры
внутри этих норок запаздывает по фазе относительно изменений темпера-
туры на поверхности; когда животные выползают в сумерки на поверхность,
они фактически покидают более теплое место и попадают в более холодную
среду [16].
Для жизни в условиях жаркого климата одновременно требуется
сохранение воды и постоянное охлаждение организма. Следовательно, если
запасы воды ограниченны, неизбежно возникают противоречия между
потребностью в сохранении воды для различных жизненных процессов и необ-
ходимостью в испарении воды для охлаждения организма. Членистоногие
слишком малы, чтобы долго противостоять испарению; поэтому они должны
постоянно избегать тех условий среды, которые характерны для жизни
в пустыне. Физиологическое приспособление для жизни в пустыне не связа-
но у них с созданием каких-то новых механизмов; механизмы остаются теми
же, но меняются пределы их работы. Например, пустынным видам мокриц
Hemilepistus reaumuri (Aud.) и губоногим, скажем Scolopendra clavipesC.L.K.,
обитающим в северной Африке, присущи примерно такие же поведенческие
реакции и водный режим, что и видам, обитающим в условиях умеренного
климата [16, 37].
Вместе с тем виды с почти непроницаемым наружным покровом и, сле-
довательно, с низкой скоростью испарения часто ведут ночной образ жизни,
даже если они могут выдерживать довольно высокие температуры. Хоро-
шим примером служат скорпионы. Существует мнение, согласно которому
скорпионы первоначально не были обитателями пустынь и что они относятся
к остаткам древней фауны, которая существовала в совершенно иных усло-
виях — при иных значениях температуры и влажности; однако скорпионам
удалось выжить в жарких и сухих условиях благодаря тому, что они актив-
ны ночью и обитают под землей. Скорпионы чувствительны к микроклимати-
ческим изменениям; чуть ли не каждый вид живет и размножается в своих
собственных экологических условиях, допустимые пределы изменения кото-
рых довольно узки [41, 42].
Однако, итальянский вид — Euscorpius germanus Shaef.— и тунисские
виды—Scorpio maurus L., Buthus occitanus (Am.) и Androctonus australis
(L.) — можно расположить в определенной последовательности в соответ-
ствии со свойственной им скоростью потери воды и временем жизни в сухом
воздухе, причем эта последовательность вполне согласуется с тем, что
известно об их экологии. У трех тунисских видов наружный покров крайне
эффективно защищает животных от потери воды, а критическая температура
достигает у них 65° [16]. Тропический вид Pandinus imperator (С. L. Koch),
обитающий в Гане, является в этом отношении промежуточным звеном
между Е. germanus, живущим в условиях умеренного климата, и пустын-
ными видами, что указывает на некоторую связь между скоростью испаре-
ния и местом обитания [18]. Все эти виды являются ночными и обладают
574
Дж. Клаудсли-Томпсон
отчетливо выраженной периодичностью, сохраняющейся в постоянных
условиях; вместе с тем они вполне способны в течение большей части года
выдерживать высокую температуру и низкую влажность на поверхности
пустынных песков — там скорпионы находятся в дневное время. Поэтому
трудно приписать точному циркадному ритму этих животных какую-либо'
экологическую функцию, помимо защиты от врагов.
Южноафриканский скорпион Opisthophthalmus latimanus Koch часто
возвращается в свою норку днем. Это один из тех видов, у которых адапта-
ция к высокой температуре характеризуется своеобразным «поднятием»
брюшка [43]. Указанное поведение не наблюдается у чисто ночных живот-
ных, что подтверждает мою гипотезу. Конечно, можно возразить, что скорпио-
нов защищает их ядовитое жало. Но яд не всегда является эффективной
угрозой для крупных и сильных животных, которые могут раздавить скорпи-
она ногами, так же как олень затаптывает змей. С другой стороны, павианы
и другие обезьяны умеют ловить скорпионов и при этом избегают их уку-
сов [18]. Кроме того, я думаю, что гребневидные придатки скорпионов слу-
жат чувствительными рецепторами, с помощью которых скорпионы воспри-
нимают вибрации земли, так что эти гребни служат в большей степени для
спасения от врагов, чем для нахождения добычи [14]. Следовательно, можно
заключить, что ночная активность большинства скорпионов объясняется
как физическими, так и биотическими факторами.
У пустынных видов жуков тоже наблюдается ясно выраженный циркад-
ный ритм двигательной активности, но далеко не все их виды активны
ночью. Многие крупные Tenebrionidae, например Adesmia spp., которые
в марте и апреле встречаются в северной Африке и в Израиле на протяжении
всего дня, в мае и июне ищут защиты под камнями и в кустах [35]; было
также показано, что максимум активности пустынных видов жуков меняет-
ся в течение года [44]. Скорость потери воды у североафриканских жуков
и жуков, обитающих в умеренном климате, примерно одинакова (во всяком
случае, это величины одного порядка) [16]. Мы можем говорить о некотором
приспособлении водного режима североафриканских жуков к условиям
жизни в пустыне, так как порядок расположения отдельных видов по ско-
рости потери ими воды в сухом воздухе до некоторой степени соответствует
порядку расположения их по времени активности в естественных условиях.
Однако у жуков, обитающих в пустынной местности, физиология и поведе-
ние уже приспособлены к заселению засушливых районов: у Tenebri&
molitor L. ночная активность даже в умеренных условиях выражена гораздо
сильнее, чем у большинства представителей семейства Tenebrionidae, обитаю-
щих в пустыне [45]. По-видимому, для жуков время активности имеет гораздо
меньшее значение, чем для скорпионов.
Чем это объясняется? Как уже было сказано выше, я считаю, что ночная
активность скорпионов связана главным образом с адаптацией, позволяю-
щей им избегать врагов из числа крупных позвоночных животных. Пустын-
ные жуки достаточно заметны, но не представляют для хищников интереса.
Их черная окраска выполняет апосематическую (предупреждающую) функ-
цию [46], одновременно защищая их от ультрафиолетовых лучей; жукам
не обязательно быть ночными животными, так как им не надо спасаться
от хищников.
Другим примером влияния физических факторов среды на ход циркад-
ных ритмов служит адаптивная дивергенция, наблюдаемая у разных видов
Drosbphila в связи с различными условиями влажности. Поведение этих
видов тесно связано с суточным циклом влажности воздуха, несмотря на
то что они являются в полном смысле наземными животными и, по-видимому,
обладают умеренной водонепроницаемостью. Однако в момент вылета плодо-
Приспособительное значение циркадных ритмов 575
вые мушки очень чувствительны к недостатку влажности — при низкой
влажности они не могут полностью расправить крылья. Поэтому вылет
обычно происходит во влажном воздухе в прохладное время на рассвете.
Хотя такое явление адаптивно связано с влажностью воздуха, регулируется
оно совершенно другими параметрами, которые зависят от хода внутренних
«часов», синхронизируемых переходом от темноты к свету. Полет, кормле-
ние и половая активность у зрелых мушек также связаны в основном со
временем рассвета или захода солнца [47, 48]. Но даже между близкими
видами наблюдаются различия во времени появления из пупария (ложного
кокона), которое зависит от относительных потерь воды путем испарения [48].
В условиях Англии D. subobscura Collin обладает четко выраженным
пиком активности в вечернее время, который тесно связан с интенсивностью
света, тогда как у D. obscura Fall активность постепенно усиливается
в течение всего дня. Вероятно, D. obscura реагирует на низкую интенсив-
ность света и низкую температуру, но область температур и интенсивностей
света, приемлемых для этого вида, довольно широка. D. subobscura тоже
реагирует на низкие, а возможно, и на высокие температуры, но для этого
вида характерно совершенно определенное оптимальное значение интенсив-
ности света [49]. Аналогичные примеры взаимозависимости климатических
факторов и периодичности известны и для комаров [48].
На первый взгляд сумеречная активность Drosophilidae кажется стран-
ной, так как другие мушки из подотряда Schizophora являются дневными
насекомыми. Для Drosophilidae характерна аппозиция полей зрения, кото-
рую обычно связывают с высокой направленностью зрения при дневном
свете; в частности, D. subobscura не может спариваться в отсутствие света,
по крайней мере в лабораторных условиях. Однако у дикого типа D. те-
lanogaster, обладающего такой же периодичностью, при низкой интенсивно-
сти света спектральная чувствительность глаз сдвинута в сторону коротких
волн, что повышает активность в часы рассвета и в сумерки. Виды Drosophi-
lidae, обитающие во влажных субтропических лесах, по сравнению с вида-
ми, живущими на открытой местности, обладают более гибким ритмом.
Поэтому было высказано предположение, что в отличие от большинства
представителей Schizophora, которые приспособились к понижению влажно-
сти в дневные часы путем увеличения сопротивляемости потерям воды,
виды Drosophila достигли такого приспособления за счет более совершенного
зрения, которое дало возможность сместить часы полета и вылета на более
темное время суток [50].
В 1931 г. Уваров [51] пришел к выводу, что суточная активность насе-
комых непосредственно зависит от суточного ритма погоды и находится
под влиянием других метеорологических факторов. Но это не совсем так.
Ни для одного вида нельзя ни в коем случае пренебрегать биотическими
факторами; даже для тех видов, где они играют сравнительно небольшую
роль, попытки объяснить экологическое значение суточного цикла лишь
на основе физических факторов среды скорее всего обречены на неудачу.
ЗНАЧЕНИЕ БИОТИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ ]СРЕДЫ
Из всего сказанного в предыдущем разделе видно, что ночная актив-
ность мелких животных, у которых скорость испарения высока, в основном
определяется физическими факторами среды; для тех видов, которые отли-
чаются более низкой скоростью потери воды в сухом воздухе, большее значе-
ние приобретают биотические факторы, например хищники. Для крупных
позвоночных животных биотические факторы играют основную роль, а физи-
ческие факторы среды отходят на второй план. Анализ биотических факторов
576
Дж. Клаудсли-Томпсон,
в этих случаях довольно труден, но попытки такого анализа все же пред-
принимались [52—54].
Относительно небольшую роль физических факторов хорошо иллюстри-
рует та легкость, с которой у многих млекопитающих активная фаза пере-
носится с ночного времени на дневное или наоборот, в зависимости от биоти-
ческих условий. Например, до 1890 г. в Африке было очень много буйволов,
но затем грандиозная по размерам эпидемия чумы почти полностью истребила
этих животных. Если до эпидемии буйволы паслись большими стадами на
открытых лугах в дневное время, то после нее выжившие животные стали
обитать в лесистых и болотистых местах и питаться только в ночное время.
Прошло несколько лет, численность буйволов значительно возросла, и они
вернулись к древнему образу жизни. Другим примером кратковременной
адаптации служит ночная активность дичи в периоды интенсивной охоты;
в тех местах, где много охотников, кролики выходят из своих нор только
по ночам [54].
Размножение
Синхронизация активности представителей одного вида дает очевидные
биологические преимущества; например, такая синхронизация увеличивает
вероятность спаривания. В период спаривания животные иногда собирают-
ся группами и теряют свойственную им обычно осторожность, что, по-види-
мому, в свою очередь благоприятно для хищников. Но пока такое пред-
положение количественно не было подтверждено.
Питание
Разумеется, время питания хищных животных связано с ритмами актив-
ности их жертв. Если круг жертв, за которыми охотится данный хищник,
ограничен, то ритм хищника должен быть особенно тесно связан с ритмом
его жертвы. Более крупные хищники, у которых круг жертв шире, в этом
отношении менее связаны. Очевидно, для бабочек-бражников и для ночных
бабочек важным фактором является время, когда цветки, соком которых они
питаются, находятся в раскрытом состоянии; но даже в этом случае можно
допустить, что в прошлом время активности бабочек было обусловлено дру-
гими факторами, а растения просто Приспособились к такому ритму. В эво-
люции всегда трудно установить, что является причиной, а что — следствием.
Исследование естественных заражений тараканами и постельными кло-
пами показывает, что тараканы активны сразу после захода солнца, тогда
как у клопов пики активности наблюдаются в предрассветные часы, раз
в 3—4 дня. Эти естественные циклы продолжаются в полной темноте в тече-
ние нескольких дней; при постоянном свете активность наблюдается только
у клопов. Создается впечатление, что эндогенные «часы» насекомых служат
источником какого-то возбуждения, которое приводит или не приводит
к активности, в зависимости от других факторов. Ритм питания клопов регу-
лируется температурой; при 30° клопы питаются раз в 3 дня, при 20°— раз
в 6 дней. В то же время эндогенные «часы», которые регулируют время пита-
ния каждый 3-й или каждый 6-й день, по всей вероятности, от температуры
не зависят [55, 56].
Спасение от врагов
Во время неактивного состояния многие животные укрываются в убе-
жищах, где они избегают действия неблагоприятных климатических факто-
ров, а также спасаются от хищников. Крайним примером служит фрагмоз.
Приспособительное значение циркадных ритмов
577
Животные, находящиеся в норах, сами создают себе нужные микроклимати-
ческие условия. У других форм наблюдаются периодические изменения
окраски тела, что делает их незаметными в течение всех 24 час. Известно
также, что многие птицы, например певчие, которые обычно активны днем,
мигрируют в ночное время; это относится и ко многим водным насеко-
мым [13].
Конкуренция
Многие животные избегают конкуренции за пищу, а также спасаются
от врагов за счет ночной активности [13, 52, 53]. Но количественных данных
на этот счет также нет. В связи с этим следует обратить внимание на то, что
в ночное время активны очень многие примитивные животные. Среди более
примитивных групп относительное число ночных видов больше; более того,
в высших группах наиболее примитивные виды также преимущественно
оказываются ночными [57]. Среди ночных животных встречаются, правда,
и высокоразвитые виды. При рассмотрении этих видов мы замечаем, что
они отличаются в основном более совершенными органами чувств, но обычно
не имеют каких-то особых приспособлений к ночным условиям. Фактически
только люминесценцию и адаптацию зрения можно отнести к свойствам,
бесполезным в дневное время [58].
Хотя конкуренция является, вероятно, одним из самых важных факто-
ров, влияющих на ход циркадных ритмов, этот фактор весьма изменчив.
Изучение физиологии глаз позвоночных, способных адаптироваться и к ноч-
ным и к дневным условиям, позволяет предположить, что дневная или ноч-
ная активность возникли путем мутации, которая закрепилась за счет
экологической целесообразности [59].
ПАРАЗИТЫ
Ритмы паразитических животных, как и следовало ожидать, обычно
синхронизированы с ритмами их хозяев [60]. Например, было показано,
что цикл бесполого размножения малярийных паразитов Plasmodium опре-
деляется световыми воздействиями на глаза их хозяев — канареек. Если
хозяин находится в условиях нормального светового режима, то пик мно-
жественного деления паразитов наступает почти сразу же после наступле-
ния темноты. Но при заражении канареек, подвергавшихся в тече-
ние 15 дней действию обратного светового режима, пик множественного
деления сразу же синхронизируется с новым временем наступления тем-
ноты [61].
Интересной параллелью служат личинки круглых червей Wuchereria
bancrofti (Cobbold) — организмов, вызывающих слоновую болезнь у челове-
ка. Взрослые особи этих нематод поселяются в лимфатических сосудах
человека, тогда как их личинки остаются в крови. Днем содержание их
в крови ничтожно, но с вечера число их начинает увеличиваться и в полночь
достигает 40—50 млн. Далее их число понижается и к 9 час. утра они почти
совсем исчезают из периферийной крови. Эта суточная периодичность может
поддерживаться с высокой точностью в течение 10 лет и более. Если больной
будет спать днем, а ночью будет бодрствовать, то через 3—4 дня ритм пара-
зитических личинок меняется на обратный. Присутствие паразитов в крови
не является непосредственной реакцией на пребывание хозяина в состоянии
сна, так как они начинают появляться за несколько часов до обычного
времени сна и еще остаются какое-то время в крови после пробуждения
больного.
578
Дж. Клаудсли-Томпсон
Недавно было показано, что периодичность появления личинок круглых
червей в крови обезьян, зараженных червями рода Dirofilaria, обусловлена
тем, что паразиты по какому-то сигналу исчезают из крови и скапливаются
в легких, причем эти неизвестные сигналы связаны с физиологическими
циркадными ритмами хозяина. В пассивной фазе личинки распределяются
в крови равномерно [62, 63]. Этот ритм несомненно связан с адаптацией их
к ритму активности кровососания у насекомых-переносчиков. Так, Loa loa
(Guyot), которые переносятся дневным слепнем (Chrysops spp.), циркулиру-
ют в периферийной крови днем, а ночью мигрируют к легким, тогда как
W. bancrofti, переносчиком которых являются ночные комары Culex fati-
gans Wied., циркулируют в периферийной крови в ночное время. Среди
W. bancrofti встречаются и виды, у которых периодичность отсутствует.
Иногда переносчиками этого вида нематод служат дневные комары; в этих
случаях периодичность появления их личинок в крови соответственно
меняется [64].
Это свидетельствует о том, что, по-видимому, переносчики определяют
ритм паразитов и что этот ритм поддерживается при заражении ими позвоноч-
ных животных. Наиболее вероятно, что на этот ритм влияют и переносчик и
хозяин, но при изменении условий роль хозяина доминирует [60]. Здесь мы
опять встречаемся со случаем, когда ритм некоторого организма, в данном
случае паразитического, синхронизируется периодическим фактором среды —
в данном случае физиологическим ритмом хозяина. Но последний ритм
почти не связан с экологическим фактором, наиболее важным для паразита,
а именно с активностью кровососания у насекомого-переносчика.
Таким образом, ясно, что по факторам среды, с которыми синхронизи-
рованы циркадные ритмы, трудно судить о приспособительном значении
ритмов — такие суждения могут привести к ошибкам.
ЛИТЕРАТУРА
1. N orgaard Е., Notes on the biology of Filistata insidiatrix (Forsk.), Ent. Medd.,
26, 170—184 (1951).
2. Cloudsley-Thompson J. L., Studies in diurnal rhythms. II. Changes
in the physiological responses of the woodlouse Oniscus asellus (L.) to environmen-
tal stimuli, J. Exp. Biol., 29, 295—303 (1952).
3. C u s h i n g P. H., The vertical migration of planktonic Crustacea, Biol. Rev.,
26, 158—192 (1951).
4. Kikuchi K-, Diurnal migrations of plankton Crustacea, Quart. Rev. Biol.,
5, 189—206 (1930).
5. Rose M., Contribution a 1’etude de la biologie du plankton: le probleme das migra-
tions verticales journalieres, Arch. Zool. Exp. Gen., 64, 387—542 (1925).
6. R usse 11 F. S., The vertical distribution of plankton in the sea, Biol. Rev.,
2, 213—263 (1927).
7. W e 1 s h J. H., C h a c e F. A., Jr., Nunnemacher R. F., The diurnal
migration of deepwater animals, Biol. Bull. Woods Hole, 73, 185—196
(1937).
8. Harris J. E., Wolfe U. K-, A laboratory study of vertical migration, Proc.
Roy. Soc. (B), 144, 329—354 (1955).
9. Hardy A., The Open Sea — Its Natural History. The World of Plankton, London,
1956.
10. Richards A. G., The Integument of Arthropods. Minneapolis, 1951.
11. Wigglesworth V B., The Principles of Insect Physiology. London, 1950.
Приспособительное значение циркадных ритмов
579
12. Cloudsley-Thompson J. L., The water-relations and cuticle of Para-
desmus gracilis (Diplopoda: Strongylosomidae), Quart. J. Mier. Sci., 91, 453—
464 (1950).
13. Cloudsley-Thompson J. L., The ecological significance of diurnal
rhythms in terrestrial arthropods, Proc. XIV. Int. Congr. Zool. Copenhagen,
1953, 415—417 (1956).
14. Cloudsley-Thompson J. L., Spiders, Scorpions, Centipedes and Mites.
The Ecology and Natural History of Woodlice, ‘Myriapods’ and Arachnids.
London, 1958.
15. E d n e у E. B., The Water Relations of Terrestrial Arthropods. Cambridge,^ 1957.
16. Cloudsley-Thompson J. L., Studies in diurnal rhythms, VI. Biocli-
matic observations in Tunisia and their significance in relation to the physiology
of the fauna, especially woodlice, centipedes, scorpions and beetles Ann. Mag.
Nat. Hist. (12), 9, 305—329 (1956).
17. С 1 о u d s 1 e у - T h о m p s о n J. L., S a n к e у J. H. P., Some aspects of the
fauna of the district around the Etang de Berre, Bouches-du-Rhone, France. Ann.
Mag. Nat. Hist. (2), 10, 417—424 (1957).
18. Cloudsley-Thompson J. L., Studies in diurnal rhythms, IX. The water
relations of some nocturnal tropical arthropods, Ent. Exp. and Appl., 2, 249—
256 (1959).
19. Cloudsley-Thompson J. L., Studies in diurnal rhythms, VIII. The
endogenous chronometer in Gryllus campestris L.' (Orthoptera: Gryllidae), J. In-
sect Physiol., 2, 275—280 (1958).
20. G h i 1 a г о v M. S., L’importance du sol dans 1’origine et 1’evolution des insects.
Proc. IX. Int. Congr. Ent., 1, 443—452 (1958).
21. Gunn D. L., The humidity reactions of the woodlouse Porcellio scaber (Latreille).
J. Exp. Biol., 14, 178—186 (1937).
22. Fraenkel G. S., Gunn D. L., The Orientation of Animals, Kineses, Taxes
and Compass Reactions. Oxford, 1940.
23. Wai off N., The mechanisms of humidity reactions of terrestrial arthropods, J. Exp,
Biol, 18, 115—135 (1941).
24. В r ere ton J. L., The distribution of woodland isopods. Oikos, 8, 85—106
(1957).
25. E d n e у E. B., The evaporation of waterfrom woodlice and the millipede Glome-
ris, J. Exp. Biol., 28, 91 —115 (.1951).
26. Edney E. B., Woodlice and the land habitat, Biol. Rev., 29, 185—219
(1954).
27. Cloudsley-Thompson J. L., Studies in diurnal rhythms. VII. Humidity
responses and nocturnal activity in woodlice (Isopoda) J. Exp. Biol.,
33, 576—582 (1956).
28. Cloudsley-Thompson J.L., The effect of wind on the nocturnal emergen-
ce of woodlice and other terrestrial arthropods, I—III, Ent. Mon. Mag. ,94, 106—
108, 184—185, 283—284 (1958).
29. Perttunen V., Reactions of diplopods to the relative humidity of the air.
Investigations on Orthomorpha gracilis, lulus terrestris and Schizophyllum sabu-
losum, Ann. Soc. Zool. Fen. ’Vanamo’, 16, (4), 1—69 (1953).
30. С 1 о u d s 1 e у - T h о m p s о n J. L., On the responses to environmental stimuli
and the sensory physiology of millipedes. (Diplopoda), Proc. Zool. Soc. Lond.,
121, 253—277 (1951).
31. С 1 о u d s 1 e у - T h о m p s о n' J. L., Studies in diurnal rhythms, I. Rhythmic
behaviour in millipedes, J. Exp. Biol., 28, 165—172 (1951).
32. D a i n t о n В. H., The activity of slugs. 1. The induction of activity by changing
temperatures, J. Exp. Biol., 31, 165 —187 (1954).
37*
580
Дж. Клаудсли-Томпсон,
33. Cloudsley-Thompson J. L., Studies in diurnal rhythms, V. Nocturnal
ecology and water relations of the British cribellate spiders of the genus Ciniflo
Bl. J. Linn. Soc. (Zool.), 43, 134—152 (1957).
34. Buxton P. A., Animal Life in Deserts. A Study of the Fauna in Relation to the
Environment. London, 1923.
35. Buxton P. A., Heat, moisture and animal life in deserts, Proc. Roy. Soc. (B),
96, 123—131 (1924).
36. Buxton P. A., The temperature of the surface of deserts, J. Ecol., 12, 127—134
(1924).
37. E d n ey E. B., The Survival of Animals in Hot Deserts. Inaug. Leet., Oxford,
1957.
38. Kachkarov O. N., Korovine E. P., La Vie dans les Deserts. Ed. fran^ai-
se par Th. Monod, Paris, 1942.
39. P i e r r e F., Ecologie et peuplement entomologique des sables vifs du Sahara
nord-occidental. Paris, Publ. Centre Nat. Recherche Sahariennes, Ser. Biol.,
№ 1, 1958.
40. Williams С. B., Some bioclimatic observations in the Egyptian desert, p. 18—
24. Biology of Deserts, ed. J. L. Cloudsley-Thompson. London: Inst. Biol., 1954.
41. Vachon M., fitudes sur les Scorpions. Alger, 1952.
42. Vachon M., The biology of scorpions. Endeavour, 12, 80—89 (1953).
43. A 1 e x a n d e r A. J., Ewer D. W., Temperature adaptive behaviour in
the scorpion, Opisthophthalmus latimanus Koch, J. Exp. Biol. 35, 349—359
(1958).
44. Bodenheimer F. S., Studies on the ecology of Palestinian Coleoptera, II,
Seasonal and diurnal appearance and activity, Bull. Soc. R. Ent. Egypt., 1934,
(1—2), 211—241 (1934).
45. Cloudsley-Thompson J. L., Studies in diurnal rhythms, IV. Photo-
periodism and geotaxis in Tenebrio molitor L. (Coleoptera: Tenebrionidae), Proc.
R. Ent. Soc. Lond. (A), 28, 117—132 (1953).
46. С о t t H. B., Adaptive Coloration in Animals, London, 1940.
47. Pittendrigh C. S., On temperature independence in the clock system control-
ling emergence time in Drosophila, Proc. Nat. Acad. Sci., 40, 1018—1029 (1954).
48. P i t t e n d r i g h C. S., Adaptation, natural selection and behaviour, p. 390—
416. Behaviour and Evolution, ed. A. Roe, and G. G. Simpson. New Haven, Conn.,
1958.
49. D у s о n - H u d s о n V. R. D., The daily activity rhythm of Drosophila subob-
scura and D. obscura, Ecology, 37, 562—567 (1956).
50. T а у 1 о r L. R., Kalmus H., Dawn and dusk flight of Drosophila subobscura
Colin. Nature Lond., 174, 221 (1954).
51. U v a г о v В. P., Insects and climate, Trans. Ent. Soc. Lond., 79, 1—247 (1931).
52. Park O., Nocturnalism — The development of a problem, Ecol. Monogr., 10,
485—536 (1940).
53. Park O., Community organisation: periodism, pp. 528—562. Principles of Animal
Ecology, ed. W. C. Allee, A. E. Emerson, O. Park, T. Park and К- P. Schmidt.
Philadelphia, 1949.
54. Cloudsley-Thompson J. L., Animal Behaviour. Edinburgh, 1960.
55. Mel I anby K., The physiology and activity of the bed-bug (Cimex lectularius
L.) in a natural infestation, Parasitology, 31, 200—211 (1939).
56. Mellanby K-, The daily rhythm of activity in the cockroach, Blatta orientalis.
II. Observations and experiments on a natural infestation, J. Exp. Biol., 17,
278—285 (1940).
57. Kennedy С. H., Evolutionary level in relation to geographic, seasonal and
diurnal distribution in insects, Ecology, 9, 367—379 (1928).
Приспособительное значение циркадных ритмов 581
58. Crawford S. С., The habits and characteristics of nocturnai animals, Quart,
Rev. Biol., 9, 201—214 (1934).
59. W a 1 1 s G. L., The Vertebrate Eye and its Adaptive Radiation, Michigan, 1942.
60. Harker J. E., Diurnal rhythms in the animal kingdom, Biol. Rev., 33, 1—52.
61. S t a u b e r L. A., Factors influencing the asexual periodicity of avian malarias,
J. Parasitol., 25, 95—116 (1939).
62. H awki ng F., T h u r s t о n J. P., The periodicity of microfilariae. I. The
distribution of microfilariae in the body, Trans. R. Soc. Trop. Med. Hyg., 45,
307—329 (1951).
63. H awki ng F., T h u r s t о n J. P., The periodicity of microfilariae. II. The
explanation of its production, Trans. R. Soc. Trop. Med. Hyg., 45, 329—340
(1951).
64. Manson-Bahr P. H., Manson’s Tropical Diseases. A Manual of the Diseases
of Warm Climates. 12th ed. London, 1948.
Ф. КОРБЕТ
Циркадные ритмы у насекомых
о
При оценке экологического значения циркадных ритмов решающую
роль играют результаты наблюдений, проведенных в естественных условиях.
Интерпретировать наблюдаемые ритмы не всегда легко, так как на их
проявление влияет целый ряд факторов среды. Но я считаю, что такие
наблюдения весьма полезны, особенно тем, что они позволяют выявить
факторы, определяющие фазу различных ритмов.
Мы располагаем обширными сведениями о ритмах, которые можно
распознать в естественных популяциях насекомых, особенно о тех ритмах,
которые легко поддаются количественным оценкам (например, ночной полет
[1] или активность кровососания [2]). Общую двигательную активность,
столь широко изученную с помощью актографов в лабораториях [3—5 и др.],
в естественных условиях измеряли редко; правда, недавно были разработа-
ны остроумные приспособления, облегчившие выявление различных ритмов
у жужелиц Carabidae [6]. В последнее время нашел применение метод,
оказавшийся очень полезным,— изучение разных типов ритмических актив-
ностей у одних и тех же видов. Для таких насекомых, как кровососущие
двукрылые, которые во взрослом состоянии проявляют несколько различных
типов поведения, подобный подход помогает яснее представить, каким
образом взаимодействие экзогенных и эндогенных компонентов обеспечивает
регуляцию ритмов насекомых.
Для того чтобы понять механизмы, управляющие периодическим изме-
нением различных активностей, необходимо учитывать воздействие как
физических, так и биологических факторов среды. На некоторых из них
я и остановлюсь в настоящем сообщении.
При исследовании циркадных ритмов поведения насекомых необходимо
всегда помнить, что регистрация любой активности в естественных условиях
чаще всего возможна лишь в том случае, если эта активность проявляется
в доступном для наблюдения месте и в подходящее время суток. Например,
у стрекоз Odonata характер полета наблюдать легче, чем ритм движений
прочистки глаз, совершаемых насекомыми в состоянии покоя. Дневную
активность кровососущих слепней Tabanidae на уровне земли [7, 8]
изучали, вероятно, чаще, чем не менее регулярное роение, происходящее
метров на пятнадцать выше крон деревьев в течение часа перед восходом
солнца [9].
Другие обстоятельства, оказывающие влияние на полноту наших зна-
ний, связаны с использованием некоторых методов учета активности. Так,
Циркадные ритмы у насекомых
583
известно, что фототаксис у взрослых поденок Ephemeroptera [10, 11] и кома-
ров Culicidae [12, 13] выражен в большей или меньшей степени в зависимо-
сти от вида проявляемой ими активности, т. е. от того, в каком физиологи-
ческом состоянии они находятся. Это означает, что ритмические изменения
численности летающих насекомых, регистрируемые с помощью световых
ловушек, определяются не только распределением числа летающих насеко-
мых во времени, но и косвенным образом другими видами активности,
которые могут проявляться в течение ночи. Например, с помощью световых
ловушек можно обнаружить такого рода ритмы у некоторых тропических
комаров Culicidae, но эти результаты относятся лишь к небольшой части
всей популяции, именно к тем особям, которые в данный момент не роятся,
не питаются, не отдыхают и не откладывают яйца [13]. Было бы, однако,
неверным считать такую неадекватность результатов присущей именно дан-
ному методу, так как у поденок Ephemeroptera и ручейников Trichoptera
в такие же ловушки попадает относительно большое число самок, пере-
полненных яйцами [14, 15].
Хорошо известно, что характер ритмов может видоизмениться в резуль-
тате воздействия физических факторов среды. Ритмы активности кровососа-
ния у комаров Culicidae [2] на различных высотах в лесу [16, 17] и в разных
условиях на уровне земли [18] служат красноречивым примером того,
в какой степени среда влияет на внешний характер ритмического поведения.
Роль света, вообще говоря, сводится, вероятно, к стимуляции или торможе-
нию активности, но для проявления этой активности требуется, чтобы был
обеспечен соответствующий микроклимат, определяемый такими факторами,
как влажность, температура и сила ветра.
На характер регистрируемой активности может влиять расположение
наблюдателя по отношению к местам размножения [19] и к областям,
через которые проходит миграция изучаемых насекомых, так как известно,
что вылет из куколок [20] и начало миграции [21] у некоторых групп насе-
комых связаны с определенным временем суток. Сложность факторов среды,
определяющих циркадные ритмы в природных условиях, хорошо иллю-
стрирует проведенный недавно анализ кривых, описывающих суточное
распределение числа летающих тлей Aphididae. Эти кривые обладают двумя
максимумами.
Оказалось, что такая форма кривых определяется циркадным ритмом
линьки, продолжительностью стадии, непосредственно следующей за
линькой (продолжительность этой стадии зависит от температуры) и, нако-
нец, пороговыми значениями температуры и интенсивности света, при кото-
рых возможен полет [22, 23].
Теперь рассмотрим, каким образом влияют на характер активности
физиологическое состояние и возраст насекомого. Конечно, существуют виды
активности, зависимость которых от возраста проявляется в том, что они
наблюдаются либо в личиночном, либо во взрослом состоянии (это особенно
характерно для насекомых с полным превращением). Но такие активности
редко исследуются одним и тем же экспериментальным методом. В данный
момент мы будем рассматривать только активности взрослых насекомых
в тех случаях, когда поведение особи зависит от возраста. Так, ритмические
изменения числа летающих вблизи воды стрекоз А пах imperator и, возмож-
но, других стрекоз Odonata иногда описываются кривыми, имеющими три
максимума — во время восхода солнца, в полдень и перед заходом. По-види-
мому, полет в часы рассвета нужно относить исключительно за счет молодых
насекомых, покидающих место размножения, полет в полдень — за счет
половозрелых насекомых возрастом более недели, а во время захода солнца
584
Ф. Корбет
в полете участвуют как половозрелые, так и молодые особи [24]. Подобным
образом, для некоторых ночных поденок Ephemeroptera, у которых анало-
гичные кривые имеют два максимума, вечерний полет определяется только
субимагинальными особями, а утренний — насекомыми, достигшими има-
гинальной стадии (или наоборот) [14].
Особое внимание в силу их огромного эпидемиологического значения
привлекли такого рода изменения у кровососущих двукрылых: в зависимости
от того, когда активны молодые, а когда — старые самки, изменяется веро-
ятность заражения человека [25]. Различие в ритмах активности кровососа-
ния у молодых и старых особей (правда, не очень четко выраженное) было
показано для мошек Sitnulium ornatum [26], S. damnosum [27] и для слепней
Chrysops silacea [8]. Вместе с тем у комаров Anopheles gambiae [28] и Мап-
sonia fuscopennata [29] ритмы активности кровососания у уже размножав-
шихся и еще не размножавшихся самок почти совпадают. Это говорит о том,
что во всяком случае для данных видов характер этого ритма не меняется
на протяжении всей имагинальной жизни насекомого. Еще из работы
Бакстона [30] на Glossina стало известно, что ритм активности может видо-
изменяться под влиянием голода; крайний пример такого изменения демон-
стрируют жуки Feronia madida, которые, будучи в основном ночными насе-
комыми, в голодном состоянии могут стать дневными [6].
Можно было бы указать еще на ряд факторов, видоизменяющих циркад-
ные ритмы активности, и привести соответствующие примеры, но и так
достаточно ясно, насколько важны возможно более полные наблюдения
за всеми видами активностей насекомых в естественных условиях. Такой
аутэкологический подход можно сравнить с процессом сборки мозаики
из отдельных элементов, которые все время изменяются. Полный рисунок
такой мозаики еще не удавалось увидеть ни для одного насекомого, но для
некоторых видов уже имеется достаточное число фрагментов, с помощью
которых можно наметить перспективные направления для будущих иссле-
дований.
Например, иногда подчеркивают разницу между такими событиями,
которые происходят в жизни насекомого лишь один раз (например, вылет
из куколок), и видами активности, свойственными организму в течение
всей его жизни (типа двигательной). Однако возможно, что полезнее стать
на иную точку зрения и рассматривать все циклическое поведение как
проявление ритмов, существующих в течение всего развития — от яйца
до взрослого насекомого. Здесь стоит упомянуть, что у некоторых насеко-
мых одно и то же время суток может быть связано с повышением актив-
ностей, проявляющихся на далеко отстоящих во времени стадиях
жизни.
Так, у Povilla adusta начало двигательной активности личинок, вылет из
куколок и полет по достижении зрелости — все эти активности наблюдаются
во время захода солнца, хотя полный период развития занимает по крайней
мере четыре месяца [31]. У стрекозы А пах imperator в то же время суток
наблюдается повышенная двигательная активность, как у личинок за
несколько дней до вылета, так и у взрослых особей [24], причем в другое
время суток на обеих стадиях могут наблюдаться другие виды активности.
У комаров Aedes taeniorhynchus окукливание [32], начало миграции [21],
роение и активность кровососания [12] — все связано с заходом солнца,
а у Mansonia fuscopennata неспецифический полет молодых самок [33]
и цикл откладки яиц старыми самками [34] проявляются в одно и то же
время в течение ночи. Эти примеры как бы специально предостерегают нас
от изолированного изучения отдельных типов активности на той онтогене-
Циркадные ритмы у насекомых
585
тической стадии, на которой они наблюдаются. Может оказаться, что неко-
торые типы активности, рассматриваемые в настоящее время как чисто
личиночные, например вертикальное передвижение Chaoboridae [35] или
двигательная активность Ephemeroptera [36] и Odonata [37], на самом
деле представляют собой лишь текущее проявление ритмов, которые
позднее проявляются в виде активностей, типичных для взрослых на-
секомых.
По крайней мере некоторые из таких ритмов могут относиться сразу
к нескольким стадиям развития. Это хорошо иллюстрирует следующий
эксперимент: на относительно ранних стадиях личинки помещают в особый
режим, а в дальнейшем они развиваются в нормальных условиях; несмотря
на это, взрослые особи вылетают из всех личинок одновременно с контроль-
ными насекомыми [31, 38, 39].
Конечно, фазы некоторых ритмов в природных условиях определяются
сигналами среды, которые носят характер ежедневных воздействий. Это
опять возвращает нас к рассмотрению внешних факторов, среди которых
универсальное значение может иметь, по-видимому, только свет [2, 40].
Судя по высокой степени синхронизации, характерной для некоторых рит-
мов, связанных с сумерками или рассветом, можно почти с полной уверен-
ностью сказать, что момент их проявления в значительной мере определяет-
ся экзогенными факторами. Роение некоторых Chironomidae, Culicidae
и Chaoboridae, по-видимому, находится под непосредственным контролем
интенсивности сумеречного света [41]; этот вывод блестяще подтверждается
наблюдениями Провоста [42], в которых изучалось влияние лунного света
на продолжительность роения у Psorophora. Другие виды активности (напри-
мер, активность кровососания у комаров Aedes cumtninsi [43] и Mansonia
fuscopennata [44]), которые могут проявляться в любое время суток, по-
видимому, стимулируются светом низкой интенсивности, хотя в общем-то
от него не зависят.
Имеются, конечно, и другие виды активности, у которых фаза ритма
определяется изменениями интенсивности света, но с некоторой задержкой.
Например, известно, что двигательная активность тараканов Periplaneta
americana [45] и цикл откладки яиц у комаров Aedes aegypti [46] инициируют-
ся переходом свет — темнота, но проявляются лишь через сутки после
наступления темноты (у комаров промежуток между инициированием и про-
явлением активности составляет примерно 21 час).
Наблюдение в природных условиях различных циркадных ритмов
позволяет выяснить, какими именно факторами среды эти ритмы опреде-
ляются. Для этого достаточно заметить степень синхронизации изучаемых
ритмов и время суток, в которое они наблюдаются. Так, плохо синхронизи-
рованные ритмы, наблюдаемые ночью в тропическом лесу на уровне земли,
вероятнее всего, определяются эндогенными процессами, тогда как высоко-
синхронизированное поведение в сумерках, типичное для наблюдаемых
случаев, несомненно, контролируется экзогенными факторами.
У некоторых видов насекомых мы наблюдаем строго определенную
последовательность различных активностей на протяжении суток» Все
эти активности достаточно перепутаны [47]; по-видимому, время их про-
явления определяется различным способом. Те активности, для которых
основную роль играют экзогенные компоненты, образуют четкую дискрет-
ную последовательность, выделяющуюся на фоне плавных ритмических
изменений, определяемых эндогенными факторами.
586
Ф. Корбет
ЛИТЕРАТУРА
1. Williams С. В., An analysis of four years captures of insects in a light trap.
Part I. General survey; sex proportion; phenology; and time of flight, Trans.
R. Ent. Soc. Lond., 89, 79—131 (1939).
2. H a d d о w A. J., Studies of the biting-habits of African mosquitoes An appraisal
of methods employed, with special reference to the twenty-fourhour catch, Bull.
Ent. Res., 45, 199—242 (1954).
3. E d n e у E. В., A study of spontaneous locomotor activity in Locusta migratoria
migratorioides (R. and F.) by the actograph method, Bull. Ent. Res., 28, 243—
278 (1937).
4. Cloudsley-Thompson J. L., Studies in diurnal rhythms. IV. Photo-
periodism and geotaxis in Tenebrio molitor L., Proc. R. Ent. Soc. Lond. (A.),
28, 117—132 (1953).
5. H a г к e r J. E., Diurnal rhythms in Periplaneta americana L. Nature, Lond.,
173, 689—690 (1954).
6. W i 1 1 i a m s G., Seasonal and diurnal activity of Carabidae, with particular
reference to Nebria, Notiophilus and Feronia, J. Anim. Ecol., 28, 309—330
(1959).
7. Haddow A. J., Further observations on the biting-habits of Tabanidae in Uganda,
Bull. Ent. Res., 42, 659—674 (1952).
8. D u к e В. O., Studies on the biting habits of Chrysops. VI: A comparison of the
biting habits, monthly biting densities and infection rates of C. silacea and C.
dimidiata (Bombe form) in the rain-forest at Kumba, Southern Cameroons,
U. U. K. A. Ann. Trop. Med. Parasit., 53, 203—2141 (1959).
9. Haddow A. J.,Corbet P. S., Entomological studies on a high tower in Mpan-
ga Forest, Uganda, with special reference to the biting Diptera. IV. Swarming
activity of mosquitoes and tabanids. (In press.)
10. К e n n e d у С. H., The distribution of certain insects of reversed behaviour,
Biol. Bull., 48, 390—401 (1925).
11. E d m u n d s G. F., N i e 1 s e n L. T., L a r s e n J. R., The life history of
Ephoron album (Say) (Ephemoroptera: Polymitarcidae), Wasmann J. Biol., 14,
145—153 (1956).
12. Nielsen E. T., N i e 1 s e n A. T., Field observations on the habits of Aedes
taeniorhynchus, Ecology, 34, 141 —156 (1953).
13. С о r b e t P. S., Entomological studies on a high tower in Mpanga Forest, Uganda,
with special reference to the biting Diptera. V. Nocturnal flight activity of Culi-
cidae and Tabanidae as indicated by light-traps. (In press.)
14. T j 0 n n e 1 a n d A., The flight activity of mayflies expressed in some East African
species. Univ. Bergen Arbok Nat., 1960 (1), 1—88 (1960).
15. Corbet P. S., T j 0 n n e 1 a n d A., The flight activity of twelve species of Eas.t
African Trichoptera, Univ. Bergen Arbok Nat., 1955 (9), 1—49 (1955).
16. H a d d о w A. J., The mosquitoes of Bwamba County, Uganda. III. The vertical
distribution of mosquitoes in a banana plantation and the biting cycle of Abdes
(Stegomyia) simpsoni Theo, Bull. Ent. Res., 36, 297—304 (1945).
17. Pittendrigh C. S., The ecoclimatic divergence of Anopheles bellator and
A. homunculus, Evolution, 4, 43—63 (1950).
18. M a t t i n g 1 у P. F., Studies on West African forest mosquitos. Part I. The seaso-
nal distribution, biting cycle and vertical distribution of four of the principal
species, Bull. Ent. Res., 40, 149—168 (1949).
19. Lumsden W. H. R., Periodicity of biting behaviour of some African mosquitoes,
Proc. Xth. Int. Congr. Ent., Montreal, 3, 785—790 (1958).
Циркадные ритмы у насекомых
587
20. Wigglesworth V. В., The Principles of Insect Physiology. London: Methuen,
1950.
21. Nielsen E. T., The initial stage of migration in salt-marsh mosquitoes, Bull.
Ent. Res., 49, 305—313 (1958).
22. Johnson C. G., Taylor L. R., Periodism and energy summation with special
reference to flight rhythms in aphids, J. Exp. Biol., 34, 209—221 (1957).
23. Johnson C. G., Taylor L. R., H a i n e E., The analysis and reconstruction
of diurnal flight curves in alienicolae of Aphis fabae, Scop. Ann. Appl. BioL,
45, 682—701 (1957).
24. Corbet P. S., The life-history of the Emperor Dragonfly, Anax imperator
Leach (Odonata: Aeshnidae), J. Anim. Ecol., 26, 1—69 (1957).
25. Lumsden W. H. R., The crepuscular biting activity of insects in the forest
canopy in Bwamba, Uganda. A study in relation to the sylvan epidemiology
of yellow fever. Bull. Ent. Res., 42, 721—760 (1952).
26. Davies L., A study of the age of females of Simulium ornatum Mg. (Diptera)
attracted to cattle, Bull. Ent. Res., 48, 535—552 (1957).
27. Lewis D. J., Biting times of parous and nulliparous Simulium damnosum, Nature,
Lond., 178, 98—99 (1956).
28. Gillies M. T., Age-groups and the biting-cycle in Anopheles gambiae. A preli-
minary investigation, Bull. Eng. Res., 48, 553—559 (1957).
29. Corbet P. S., Entomological studies on a high tower in Mpanga Forest, Uganda,
with special reference to the biting Diptera. VII. The age-composition of biting
mosquito populations according io time and level. (In press.).
30. Buxton P. A., The Natural History of Tsetse Flies. London: Lewis, 1955.
31. Hartland-Rowe R., The biology of a tropical mayfly Povilla adusta Navas
(Ephemoroptera, Polymitarcidae) with special reference to the lunar rhythm
of emergence, Rev. Zool. Bot. Afr., 58, 185—202 (1958).
32. N i e 1 s e n E. T., H a e g e r J. S., Pupation and emergence in Aedes taenior-
hynchus (Wied.), Bull. Ent. Res., 45, 757—768 (1954).
33. Corbet P. S., H a d d о w A. J., Observations on nocturnal flight activity
in some African Culicidae (Diptera). (In press.)
34. H a d d о w A. J., G i 1 1 e t t J. D., Laboratory observations on the oviposition-
cycle in the mosquito Taeniorhynchus (Coquillettidid) fuscopennatus Theobald,
Ann. Trop. Med. Parasit., 52, 320—325 (1958).
35. Macdonald W. W., Observations on the biology of chaoborids and chironomids
in Lake Victoria and on the feeding habids of the ’elephant-snout fish’ (Mormy-
rus kannume Forsk.), J. Anim. Ecol., 25, 36—53 (1956).
36. Harker J., The diurnal rhythm of activity of mayfly nymphs, J. Exp. Biol.,
30, 525—533 (1953).
37. Paulian R., Serfaty A., Le rhythme nycthemeral des larves d’Aeschnes,
Bull. Mus. Hist. Nat., Paris, 16, 442—447 (1944).
38. Pittendrigh C. S., On temperature independence in the clock system control-
ling emergence time in Drosophila, Proc. Nat. Acad. Sci., 40, 1018—1029
(1954).
39. P a 1 m e n E., Diel periodicity of pupal emergence in some North European chiro-
nomids, Proc. Xth Int. Congr. Ent., Montreal, 2, 219—224 (1958).
40. Aschoff J., Zeitgeber der tierischen Tagesperiodik. Naturwissenschaften, 41,
49—56 (1954).
41. Nielsen E. T., Greve H., Studies on the swarming habits of mosquitos
and other Nematocera. Bull. Ent. Res., 41, 227—258 (1950).
42. P г о v о s t M. W., Mating and male swarming in Psorophora mosquitoes, Proc.
Xth. Int. Congr. Ent., Montreal, 2, 553—561 (1958).
43. H a d d о w A. J., Studies on the biting habits and medical importance of East
588
Ф. Корбет
African mosquitos in the genus Aedes. I.— Subgenera Aedimorphus, Banksinella
and Dunnius, Bull. Ent. Res., 50, 759—779 (1960).
44. H a d d о w A. J., Entomological studies on a high tower in Mpanga Forest, Uganda,
with special reference to the biting Diptera. VI. Biting activity in mosquitoes
and tabanids. (In press.)
45. Harker J. E., Diurnal rhythms in the animal kingdom, Biol. Rev., 33, 1—52
(1958).
46. H a d d о w A. J., G i 1 1 e 11 J. D., Corbet P. S., Observations on the oviposi-
tion-cycle of Aedes (Stegomyia) aegypti (Linnaeus). V. (In preparation.).
47. Cloudsley-Thompson J. L., Diurnal rhythms of activity in terrestrial
arthropods, Nature, Lond., 178, 215 (1956).
ОБСУЖДЕНИЕ ДОКЛАДА
Клаудсли-Томпсон. Удавалось ли Вам связать различные
пики активности кровососания у комаров с наличием питающих их хозяев?
Корбет. Работами нашего института показано, что распределение
активности кровососания в пространстве и во времени близко связано с нали-
чием хозяев. Так, пик активности кровососания у Aedes africanus наблю-
дается сразу после захода солнца в верхнем ярусе леса; именно в это время
там устраиваются на ночлег их хозяева — обезьяны. Точно так же те виды
Mansonia, которые сосут кровь у птиц, наиболее активно питаются ночью
в зоне верхних ветвей деревьев — как раз тогда, когда на них спят птицы.
К а л м у с. Д-р Хованитц показал, что у бабочек вида Colias есть
два вида самок — белые и желтые, причем это различие определяется одним
геном; самки этих двух типов летают в разное время дня. Такого рода раз-
личия в активностях, определяемые мутациями, могут, конечно, сильно за-
труднить взятие выборок из популяции.
Корбет. Это интересное открытие наводит на мысль об аналогичном
происхождении описанных выше ритмов активности, обладающих двумя
суточными максимумами. Наблюдения д-ра Джиллета в нашей лаборатории
указывают, что различие в поведении двух разновидностей комаров Aedes
aegypti имеет генетическую основу. Если бы оказалось, что время, в которое
комары прилетают сосать кровь у людей, и их способность передавать забо-
левание также определяются генетическими факторами, то эпидемиологи-
ческие выводы, основанные на ритмах активности кровососания, следовало
бы соответствующим образом изменить.
Ашофф. Как ясно показал д-р Корбет, характер циркадных ритмов
популяции организмов может зависеть от распределения организмов по полу
и другим признакам. Мне бы хотелось в качестве дополнительного примера
сообщить данные, полученные д-ром Фуджимото. Если в группу мышей,
активных только в темноте, ввести одного самца типа «Паша», доминантного
по отношению ко всем другим, то характер активности мышей изменится.
Только «Паша» остается активным в темноте, остальные мыши в большей
или меньшей степени становятся активными на свету.
М. РЕННЕР
Изучение чувства времени у животных
и ориентации их по солнцу на примере
медоносной пчелы
с
ВВЕДЕНИЕ
Около 60 лет назад швейцарский врач и натуралист Август Форель заме-
тил, что пчелы, прилетавшие каждое утро к столу, за которым он завтракал,
и собиравшие корм со стоявших на столе сладостей, отводят на такие поиски
пищи всегда одно и то же время. Они прилетали даже тогда, когда на столе
никакой пищи для них не было, так что их посещения нельзя было объяснить
ни запахом, ни другими признаками пищи. Эти случайные наблюдения
побудили Фореля провести несколько экспериментов, и на их основании
он заключил, что «пчелы запоминают те часы, в которые им обычно удава-
лось найти сладости... и у них имеется память на время (Zeitgedachtnis)» [1].
Выводы Фореля в 1900 г. были подтверждены наблюдениями Баттель-
Рипина [2], который обнаружил, что пчелы прилетают утром на поля гре-
чихи только в те часы, когда цветки секретируют нектар. В другое время
на этих полях пчел видно не было. Видимо, они запоминали то время дня,
когда можно было найти нектар, и прекращали прилетать, когда пищи уже
не было. Баттель-Рипин заключил, что такое поведение возможно только
в том случае, если пчелы имеют чувство времени («Zeitsinn») [3].
Теперь мы знаем, что выводы Баттель-Рипина были правильны, хотя
данные, имевшиеся в то время, нельзя считать достаточно убедительными.
Вполне можно было бы допустить, что несколько пчел-разведчиков приле-
тают на поля гречихи время от времени на протяжении всего дня и, как
только растения начинают секретировать нектар, особым танцем подают
сигнал пчелам-сборщикам [4, 5]. В этом случае мы имели бы дело с заме-
чательной системой коммуникации, а вовсе нес чувством времени. Правда,
эти возражения нельзя отнести к наблюдениям Фореля, так как пчелы при-
летали к столу в установленное время и тогда, когда там вообще никакой
пищи не было. Но для этого случая можно было бы допустить, что наличие
в определенном месте богатого источника пищи пчелы связывали с каким-то
сопутствующим, повторяющимся каждый день явлением. Как только оно
происходило, пчелы летели за кормом в привычное место. Например, вполне
разумно предположить, что для этой цели они пользовались высотой солнца
над горизонтом. Тогда мы опять-таки не имеем оснований говорить о чувстве
времени; мы можем говорить только о способности пчел связывать опыт
предыдущих попыток с определенными периодически повторяющимися
внешними явлениями, в результате чего они получают возможность пред-
принимать некоторые действия в нужное время.
Мы имели бы дело с действительным чувством времени, если бы повто-
ряющиеся каждый день события экзогенного происхождения не служили
непосредственным указанием нужного момента для начала определенной
590
Л1. Реннер
деятельности, а только информировали животных, какое положение данный
момент занимает по отношению к остальному времени, подобно тому как
нас об этом информируют часы.
Такие экзогенные суточные факторы могли бы восприниматься организ-
мом непрерывно, всякий раз определяя его положение во времени. Вместе
с тем вполне можно представить себе, что существует и чисто эндогенная
способность оценивать время, которая ограничивается небольшими про-
межутками времени и связана с дискретными временными сигналами внеш-
него происхождения. Связь такого чувства времени с астрономическим вре-
менем может осуществляться, например, с помощью одного или нескольких
определенных событий, регулярно повторяющихся каждый день.
Наконец, последняя возможность состоит в том, что пчелы ориенти-
руются во времени исключительно на основе эндогенных процессов, про-
исходящих в организме, т. е. с помощью внутренних часов безо всякой связи
с когда-либо происходящими внешними событиями, периодически отме-
чающими определенные моменты времени.
Эти вводные замечания показывают различные возможности ориента-
ции во времени, доступные организмам, и указывают главные направления
исследовательской работы в этой области. В частности, мы можем поставить
перед собой следующие вопросы:
1. С помощью каких часов достигается правильная ориентация организма
во времени — внешних, внутренних или их комбинации?
2. Как и насколько эффективно работают эти часы?
3. Какое биологическое значение имеет механизм определения времени?
СВЯЗЬ МЕЖДУ ВНУТРЕННИМИ И ВНЕШНИМИ ЧАСАМИ
У ПЧЕЛ
Первое строгое исследование чувства времени у пчел было опубликова-
но в 1929 г. Ингеборг Белинг [61 — ученицей Фриша. Ее методы дресси-
ровки пчел были использованы многими последующими исследователями,
поэтому здесь лучше всего описать вкратце схему ее основного эксперимента.
Каждая пчела из некоторой группы пчел-сборщиц получает индивидуальную
метку. В течение нескольких дней в определенном месте пчелам выставляет-
ся кормушка, которая всегда ^в одно и то же время дня (например, с 9 до
11 час. утра) наполнена сахарным сиропом. В остальные часы кормушка пуста.
После нескольких дней дрессировки устраивается проверка, во время кото-
рой кормушка остается пустой на протяжении всего дня. Все это время
ведутся наблюдения и регистрируется прилет каждой помеченной пчелы.
Уже первые эксперименты Белинг показали, что наиболее высокая
частота прилетов приходится на то время, в которое раньше пчелы получали
пищу (фиг. 1, В). Было также установлено, что пчел можно приучить соби-
рать корм в любое наперед заданное время суток. Более того, можно добить-
ся, чтобы пчелы прилетали в установленные часы несколько раз в сутки;
нужно только, чтобы промежутки между периодами сбора корма составляли
не менее 2 час.
Экспериментами Белинг наблюдения Фореля были подтверждены.
Однако вопрос о том, используют ли пчелы внутренние или внешние часы,
оставался открытым. В дальнейшем Белинг [6], а также Вааль [7] пыта-
лись решить эту проблему, последовательно исключая влияние наиболее
важных факторов среды или делая их воздействие непериодическим. Они
держали экспериментальные ульи с пчелами в помещении с постоянным
Чувство времени у медоносной пчелы
591
освещением и при постоянных температуре и влажности. Влияние суточного
ритма ионизации воздуха устранялось с помощью радиоактивных веществ
[6]. Чтобы избавиться от космического излучения, дрессировку и проверку
Фиг. 1. Результаты эксперимента с дрессировкой пчел, выполненного в условиях
постоянного освещения и постоянной температуры [12].
По оси абсцисс отложено время (регистрация велась через каждые полчаса), по оси ординат —
число маркированных дрессированных пчел, прилетающих к кормушке в поисках пищн. Число
пчел равно 33.После последнего периода дрессировки всех пчел собирали в небольшие клетки и
держали их там в течение 5 час, разделив на три группы по 11 пчел в каждой. Первую группу (Л)
незадолго до этого подкармливали кормом, содержащим 0,02-процентную суспензию хинина, тогда
как остальные пчелы кормились чистым сахарным сиропом. Вторую группу (Б) в течение упомя-
нутых 5 час держали в холодильнике при температуре 4,5 —5,5°; третья, контрольная, группа (В),
а также первая группа в течение этих 5 час находились при температуре 25°.
проводили под землей на глубине 180 м в штольнях шахты, где раньше
добывали соль [7]. Во всех случаях пунктуальность пчел оставалась неиз-
менной; как и раньше, пчелы-сборщицы прилетали к кормушке в правиль-
ное время.
592
М. Реннер
Когда удалось показать, что эта замечательная способность определенно
не зависит от суточного ритма чувства голода и что даже пчелы, выведенные
в инкубаторе, отличаются точно такой же пунктуальностью [7], постулат
о наследуемом (врожденном) эндогенном чувстве времени казался оконча-
тельно доказанным. Однако в то время еще не были приняты во внимание
такие периодические внешние факторы, как, например, притяжение Солнца
и Луны, которые тоже могли бы служить внешними возбудителями.
Белинг [6], Вааль [7] и позднее Инга Пашке [8] выполнили и такие
эксперименты, которые заставили вновь серьезно взглянуть на возмож-
ность существования какого-то экзогенного датчика времени. Оказалось,
что пчел невозможно приучить к ритму, не связанному с 24-часовой периодич-
ностью. Даже после нескольких недель дрессировки пчелы не могли на-
учиться прилетать к кормушке, скажем, каждые 19 или 48 час. Не составили
исключения и пчелы, выведенные в инкубаторе при постоянной температуре
и никогда не подвергавшиеся никаким периодическим воздействиям, кроме
экспериментального ритма с отличным от 24 час периодом. Чувство времени
у пчел казалось неотделимым от естественного 24-часового цикла. Такую
связь, по-видимому, с большей вероятностью следовало бы приписать влия-
нию внешних факторов, чем объяснять ее работой эндогенного метаболи-
ческого механизма равной точности и надежности. Тем не менее последняя
возможность тоже заслуживала внимания. Многие авторы [7, 9—12] пыта-
лись воздействовать на чувство времени у пчел, изменяя их метаболизм.
Результаты оказались разноречивыми. Сейчас, по-видимому, можно считать
установленным, что чувство времени у пчел не меняется ни в результате
ускорения метаболизма путем введения тироксина, ни в результате замедле-
ния метаболизма после введения хинина. Вместе с тем охлаждение пчел
до 4—5° в течение 5 час приводит к тому, что пчелы всегда опаздывают на
3—6 час (фиг. 1, Б).
Сейчас мы не можем сказать, почему охлаждение дает некоторый эффект,
а введение тироксина или хинина — нет. Опыт с охлаждением еще не дока-
зывает существования внутренних часов. Поскольку во время охлаждения
чувствительность пчел фактически падает до нуля, наблюдаемая задержка
может бйть отнесена за счет провала в восприятии внешних определи-
телей времени, что никак не связано с изменениями в метаболически
управляемых часах. Таким образом, все описанные эксперименты не позво-
ляют установить, какого типа часы обеспечивают ориентацию пчел во
времени.
Однозначный ответ на этот вопрос должен был дать эксперимент с пере-
возкой пчел, идея которого была высказана в 1937 г. Фришем [13]. Он
рассуждал следующим образом. Суточная периодичность всех явлений во
внешней среде прямо или косвенно связана с вращением Земли. Так же,
как и восход солнца, эти явления на разных географических широтах
наблюдаются в разное время в соответствии с местным временем каждого
географического района. Следовательно, если дрессировку пчел провести
на одной широте, а проверку — на другой, то мы должны получить опреде-
ленный ответ относительно природы их чувства времени. Если решающую
роль играют внешние факторы, то пчелы в день проверки прилетят к кор-
мушке не через 24 час, а раньше или позже в зависимости от разницы в мест-
ном времени на рассматриваемых двух широтах. Если, однако, пунктуаль-
ность пчел обусловливается работой внутренних часов, которые поддержи-
вают 24-часовой ритм организма независимо от экзогенных факторов, то
пчелы будут собирать корм по старому расписанию, т. е. через 24 час после
последней дрессировки.
Чувство времени у медоносной пчелы
593
В 1955 г. я получил возможность осуществить такой эксперимент
[12, 14, 15]. Оказалось, что чувство времени у пчел может работать незави-
симо от суточных экзогенных факторов. Пчел дрессировали в Париже;
там они в течение нескольких дней
получали сахарный сироп с 20 час.
15 мин. до 22 час. 15 мин. по па-
рижскому времени. Ночью пчелы
были на самолете переправлены в
Нью-Йорк. На следующий день
пчелы прилетели к кормушке при-
мерно в 15 час. по местному нью-
йоркскому времени, т. е. через
24 час после последней подкормки
в Париже. В промежутке между
20 час. 15 мин. и 22 час. 15 мин.
по нью-йоркскому времени у кор-
мушки не было ни одной пчелы.
Аналогичный результат дал обрат-
ный эксперимент, в котором пчел
переправляли из Нью-Йорка в
Париж.
В этих двух экспериментах
пчелы находились в изолирован-
ных камерах при постоянных
условиях освещения и температу-
ры [16]. Поэтому надо было еще
выяснить вопрос, не могут ли
влиять на ориентацию пчел во
времени в естественных условиях
такие факторы, как высота солн-
ца над горизонтом или смена дня
и ночи; такое влияние могло быть
связано с работой внутренних ча-
сов или служить дополнительным
фактором. Ответ на этот вопрос
был получен путем точно такого
же эксперимента, только дресси-
ровка и проверка проводились на
открытой местности. Летом 1958 г.
пчел дрессировали на участке близ
Сент-Джеймса на . острове Лонг-
Айленд (штат Нью-Йорк); там
пчелы собирали сахарный сироп
от 12 час. 54 мин. до 14 час.
24 мин. дня по восточноамерикан-
скому поясному времени. После
окончания дрессировки их ночью
переправили в Дэвис (штат Кали-
форния). Разница в местном вре-
мени для Сент-Джеймса и Дэвиса
составляет 3 час. 15 мин. Проверка в Д висе велась в течение 3 дней [17].
Обычно поисковая активность дрессированных пчел имеет в течение
суток один максимум. Во время проверки в Дэвисе поисковая активность
120 г
т
100
80
1-й день проверки
60
40
Время
дрессировки
20
10
0
Т.вр. 6“
В.вр. 9“
Л.
С-Дяс.1002
60 г
40
20 -
10 Е
Oi-rr
Т.вр. 6“
В.вр. 9“
Д. 547 * * * * * *
С.-ДЖ.1О02
Л|П||||*'|"1.||'1[-ПГ|
12“
15“
12»
1602
W4»
18°2
16“
19“
16»
2Qot
8“
11 “
8*7
1202
8“ 9“ 10“
11“ 12“ 13“
8» g47 JQ47
1202 1302 1402
1 i
2-й день проверки
10“
13 “
10»
1402
12“
15“
1602
14 54
/4*7
1802
16“
19“
16"
2О02

Т.вр. 6“ 8“
В.вр. 9“ 11“
Л. 6» 8»
C-Дж. Ю02 1202
10“ 12“ 14“
13“ 15“ 17“
10» 12» 14»
1402 1602 1802
16“
19“
16»
2О02
Фиг. 2. Частота прилетов пчел, дрессиро-
вавшихся на открытой местности в Сент-
Джеймсе (Лонг-Айленд [17]).
Время подкормки с 12 час. 54 мин. до 14 час. 24 мин.
по восточному поясному времени. Проверка прово-
дилась после ночной перевозки (смещение на 49°
по долготе) в Дэвис (Калифорния). По оси абсцисс
отложено (сверху вниз) тихоокеанское поясное
время, восточное поясное время, местное время
Дэвиса и местное время Сент-Джеймса; по оси орди-
нат — число фотоэлектрических импульсов, соот-
ветствующее числу прилетающих пчел. Пунктир-
ными вертикальными прямыми выделен отрезок дня
в Дэвисе, соответствующий времени дрессировки в
Сент-Джеймсе.
594
М. Реннер
в каждый из трех дней имела два ясно выраженных максимума (фиг. 2).
В первый день первый максимум наблюдался за 45 мин до истечения
24 час, отсчитываемых от начала последней дрессировки в Сент-Джеймсе.
Такой же максимум наблюдался в ранее проведенном опыте, где и дрессиров-
ка, и проверка проводились в Сент-Джеймсе. В обычных дрессировочных
экспериментах без перевозки пчел максимум поисковой активности очень
часто приходится на то же время. Но во всех этих случаях количество при-
летов после максимума постепенно спадает до нуля; в нашем же эксперименте
с перевозкой пчел за некоторым снижением поисковой активности следовало
новое ее увеличение; второй максимум наступил через Р/2 час после первого.
На второй и третий день первый максимум наступал на 11/2час позднее,
чем в первый день. Второй максимум на второй день тоже смещался на
11/2час, а на третий — еще на 30 мин. Таким образом, на третий день второй
максимум наблюдался в 12 час. 32 мин. по местному времени, т. е. за полча-
са до начала дрессировки на Лонг-Айленд (13 час. 02 мин. по местному
времени Сент-Джеймса). По отношению к первому максимуму первого дня
этот максимум сместился на З1^ час «в новый день». Примерно таким же был
бы обычный максимум поисковой активности, если бы дрессировка проводи-
лась в Дэвисе между 13 час. 02 мин. и 14 час. 24 мин. по местному времени.
Описанные наблюдения, как мне кажется, можно интерпретировать
следующим образом. Задержка второго максимума на третий день в точно-
сти соответствует разнице в местном времени указанных географических
районов. Очевидно, ее следует отнести за счет влияния экзогенного суточно-
го ритма. Первый максимум, который поддается влиянию «нового дня»
в меньшей степени, несомненно является следствием сравнительно жесткого
эндогенного 24-часового ритма, поддерживаемого у пчел некоторым меха-
низмом ориентации во времени.
Подводя итоги, мы можем сказать, что чувство времени у пчел в обыч-
ных условиях основано как на эндогенных, так и на экзогенных факторах.
Если и те, и другие факторы находятся «в фазе», их влияние взаимно уси-
ливается. Если фаза естественного цикла, определяемого сменой дня и ночи,
искусственно сдвинута относительно эндогенного ритма, то обе системы
определения времени конкурируют между собой. Тогда эффекты каждой
из них можно регистрировать отдельно.
БИОЛОГИЧЕСКОЕ ЗНАЧЕНИЕ ЧУВСТВА ВРЕМЕНИ
СБОР КОРМА
Податливость пчел к дрессировке на определенное время суток тесно
связана с их естественным способом сбора корма. Многие цветки содержат
нектар или пыльцу только в определенные периоды суток. Известно, что
пчелы продолжительное время проявляют поразительное постоянство по
отношению к тому виду растений, который они посещают. Если они могут
определить, в какое время дня эти цветки содержат корм, им не надо тратить
энергию на бесполезные посещения. Ильза Кёрнер [18] показала, что между
периодами сбора корма пчелы действительно отдыхают (см. также [19—23]).
ОРИЕНТАЦИЯ ПО СОЛНЦУ С ПОПРАВКОЙ НА ВРЕМЯ
В последние десять лет было установлено, что многие животные могут
ориентироваться в пространстве независимо от видимых или обоняемых
наземных ориентиров; для такой ориентации они используют либо положе-
Чувство времени у медоносной пчелы
595
ние солнца на небе, либо вообще картину неба — положение луны, звезд,
распределение поляризации по небу. Животные умеют связывать с положе-
нием солнца направление полета к своей цели (см., например, [23—33]).
Угол между направлением на солнце и направлением полета в проекции
на горизонтальную плоскость называют солнечным углом. Для того чтобы
достигнуть цели, животное должно при полете все время сохранять указан-
ный угол. Вследствие вращения Земли солнечный угол в течение дня непре-
рывно изменяется по определенному закону, поэтому любой механизм ори-
ентации, связанный с положением солнца, может длительно функциониро-
вать только в том случае, если он учитывает изменение солнечного угла.
Другими словами, направление полета пчелы относительно солнца в течение
дня должно меняться.
Угловая скорость движения солнца почти постоянна и равна около
15° в час. Однако, если спроецировать траекторию движения солнца на
горизонтальную плоскость, то угловая скорость движения проекции солнца
не будет постоянной. Направление на солнце в проекции на горизонтальную
плоскость называется азимутом солнца. Азимут измеряется в градусах
и отсчитывается по часовой стрелке от направления на север. Таким обра-
зом, изменение азимута в течение суток непостоянно, что связано с разной
высотой видимого пути солнца по небу. Другими словами, скорость измене-
ния азимута зависит от времени дня. Мы можем сказать, что на наших широ-
тах изменение азимута солнца утром и вечером происходит с меньшей ско-
ростью, а в полуденные часы — с большей. Следовательно, ориентация
пчел по солнцу будет правильной, если ими будет учтена разная скорость
изменения его азимута в течение дня.
За 24 час азимут меняется на 360°, так что средняя скорость его изме-
нения тоже равна 15° в час. Следовательно, для того чтобы достигнуть
приблизительной ориентации, пчелы должны изменять солнечный угол
своего движения со скоростью 15° в час. Если же пчелы умеют ориентиро-
ваться по солнцу более точно, они должны менять солнечный угол утром
и вечером медленнее, чем в полдень.
В описанных выше экспериментах с перевозкой пчел ставилась задача
выяснить, как пчелы изменяют направление своего полета в течение дня.
На Лонг-Айленд пчел дрессировали не только на определенное время сбора
корма, но и на определенное направление движения к кормушке [17].
В Сент-Джеймсе, как и в Дэвисе, улей был расположен в центре площадки,
не имеющей никаких заметных ориентиров. Кормушка с сахарным сиропом
помещалась в северо-западном направлении (азимут 315°) на расстоянии
140 м от улья. Кроме того, на таком же расстоянии от улья было поставлено
еще семь кормушек, азимуты которых последовательно отличались на 45°.
Эти дополнительные кормушки оставались пустыми. Таким образом, все
8 кормушек были равномерно распределены по окружности с центром
в улье, но сахарным сиропом была наполнена только северо-западная кор-
мушка. Прилеты пчел на каждую из кормушек регистрировались фото-
электрическим методом.
Первый опыт на Лонг-Айленд (без перевозки) показал, что пчелы
в день проверки не только прилетают с присущей им пунктуальностью,
но всегда выбирают именно северо-западную кормушку. Таким образом,
в данное время дня они поддерживают тот же солнечный угол, что и 24 час
назад. Можно ожидать, что такой же угол они будут поддерживать и после
перевозки в какой-либо район на другой долготе. Тогда пчелы не достигнут
северо-западной кормушки, так как на новом месте азимут солнца через
24 час будет другим. Разность по долготе между Сент-Джеймсом и Дэвисом
596
М. Реннер
составляет 48°39', что соответствует постоянной разнице в местном вре-
мени на 3 часа 15 мин. В то же время разница в азимуте в течение суток
заметно меняется. Например, в 10 час. 24 мин. утра по восточному поясному
времени (т. е. в 7 час. 24 мин. утра по тихоокеанскому поясному времени)
разница в азимуте равна 47°, тогда как в 1 час 24 мин. дня по восточному
поясному времени (т. е. 10 час. 24 мин. утра по тихоокеанскому времени)
она достигает 82°! Это вызвано разной скоростью изменения азимута в тече-
ние суток. Таким образом, разница в азимуте солнца в Сент-Джеймсе
и Дэвисе меняется точно так же, как меняется расстояние между людьми,
идущими один вслед другому с одинаковой периодически меняющейся ско-
ростью при наличии сдвига фаз.
Можно рассчитать, в каком направлении в разное время дня полетят
в поисках пищи пчелы, дрессировавшиеся на Лонг-Айленд и переправлен-
ные в Калифорнию, если предположить, что для ориентации они используют
азимут солнца. При расчете можно либо исходить из того, что пчелы вводят
приблизительную поправку на движение солнца (15° в час), либо считать,
что ими вводится более точная поправка.
Кроме указанных двух случаев, могут быть и другие возможности.
За недостатком места я не буду приводить здесь все теоретические выкладки;
их можно найти в оригинальной работе [17]. Вычисленные направления
полета представлены нафиг. 3. Кривые 1—3 указывают направление полета
для трех разных случаев: 1) если пчелы умеют находить правильное северо-
западное направление с помощью какого-то неизвестного механизма, не
зависящего от долготы данного района; 2) если пчелы ориентируются по
силовым линиям магнитного поля Земли и 3) если они будут точно под-
держивать тот же солнечный угол, какой они поддерживали во время дрес-
сировки. Следует отметить, что пчел дрессировали на поиск корма в течение
сравнительно небольшого промежутка времени (Р/г час).
Кривая 5 показывает, в каком направлении пчелы будут искать пищу
в разное время дня, если они для ориентации используют азимут солнца
и вводят точную поправку на его изменение в течение дня. Кривая 6 соот-
ветствует тому же случаю, только поправка на время дня взята постоянной,
равной всегда 15° в час.
Можно предположить еще одну возможность, которая не связана с био-
логическими часами. Пчелы могут использовать для ориентации величину
солнечного угла в сочетании с высотой солнца над горизонтом. Они могут
знать, какой солнечный угол им надо поддерживать при данной высоте
солнца над горизонтом, чтобы достигнуть своей цели. Но если не считать
полдень, солнце находится на каждой высоте дважды в сутки; поэтому для
безошибочной ориентации пчелы должны обладать способностью быстро
определять, опускается солнце или поднимается. В этом случае в Дэвисе
они будут лететь примерно в таком же направлении, что и на Лонг-Айленд,
т. е. к северо-западу от улья. Это связано с тем, что перевозка в данном слу-
чае почти не сопровождается изменением широты и связь между азимутом
и высотой солнца примерно одинакова в обоих районах; Дэвис всего на
2,4° южнее Лонг-Айленд, так что направление полета в Дэвисе меняется
незначительно. Кривая 4 указывает, в каком направлении полетят пчелы
в Дэвисе, если они используют для ориентации азимут солнца в сочетании
с высотой солнца над горизонтом.
Наконец, есть еще одна возможность, которая тоже связана с ориенти-
ровкой по высоте солнца. Пусть пчелы обладают простыми биологическими
часами, по которым они могут узнавать, поднимается солнце или опускается,
не видя его. Если бы после перевозки пчел в Калифорнию подобный
Фиг. 3. Вычисленные и наблюдаемые результаты эксперимента с перевозкой пчел из Сент-Джеймса (Лонг-Айленд,
штат Нью-Йорк) в Дэвис (штат Калифорния).
По оси абсцисс отложено тихоокеанское и восточное поясное время, по оси ординат — азимут полета пчел. Крестики соответствуют
средним значениям азимута за три дня проверки. В скобках указано число прилетевших пчел. Объяснение см. в тексте.
598
М. Реннер
24-часовой ритм не менялся, то в определенный период дня пчелы в Дэвисе
должны были бы считать, что солнце уже опускается, тогда как в действи-
тельности оно все еще поднимается. Например, в 12 час. 24 мин. дня по
восточному времени солнце в Сент-Джеймсе опускается. Через 24 час в 9 час.
24 мин. утра по тихоокеанскому времени солнце в Дэвисе будет поднимать-
ся, но пчелы будут считать, что оно уже опускается. Можно рассчитать,
как это скажется на направлении полета пчел. В результате получается
кривая 7.
Число всевозможных способов ориентации этими семью кривыми далеко
не исчерпывается. Возможно, что после перевозки биологические часы,
с помощью которых пчелы ориентируются по азимуту, подвергаются влия-
нию новой фазы 24-часового экзогенного ритма. Такой случай тоже должен
выявиться в результате опытов с перевозкой. Не вдаваясь в математические
детали, я здесь только укажу, что если пчелы ориентируются по азимуту
солнца, то влияние экзогенного ритма должно смещать направление их
полета к северу (относительно кривых 5 и 6). Если ориентация основывается
на высоте солнца над горизонтом, определяемой по простым внутренним
часам, то резкий поворот к югу (см. кривую 7 на фиг. 3, Б) будет происхо-
дить тем позднее, чем больше влияние экзогенного ритма.
Кривая 8 (фиг. 3) указывает действительное направление полета пчел.
Крестики соответствуют средним направлениям. Определение средних
величин производится по формулам Гамбела [34, 35]:
й
a=tg£; х-— У rticosafj
X rl
г—1
k й
у -= ~ 2ni sin af’ п 2
г=1 г=1
Здесь a — среднее направление полета в данное время дня (измеряется
в градусах азимута), af— направление поиска отдельной пчелы; и — число
импульсов, соответствующее числу пчел, прилетавших в одно и то же
время.
Полученные результаты ясно показывают, что пчелы ориентируются
по солнечному азимуту. Солнечный угол в течение дня меняется. Относи-
тельно того, какую поправку на изменение азимута вводят пчелы, ничего
определенного сказать нельзя.
Очевидно, какого-либо неизвестного механизма, обеспечивающего нуж-
ную ориентацию независимо от географической долготы, у пчел нет. Ясно
также, что ориентация не зависит ни от высоты солнца над горизонтом, ни от
магнитного поля.
Пока нет никаких данных, которые указывали бы на влияние нового
режима смены дня и ночи после перевозки.
ЛИТЕРАТУРА
1. Forel A., Das Sinnesleben der Insekten. Munchen: Reinhardt (1910).
2. Buttel-Reepen H. V., Sind die Bienen «Reflexmaschinen»? Biol. Zbl ,
20, 97 (1900).
3. Buttel-Reepen H. V., Leben und Wesen der Bienen. Braunschweig Vieweg
und Sohn, 1915.
Чувство времени у медоносной пчелы
599
4. Frisch К- V., Methoden sinnesphysiologischer und psychologischer Untersuchun-
gen an Bienen. Abderhaldens Handbuch der biologischen Arbeitsmethoden,
6, 121. Berlin und Wien: Urban u. Schwarzenberg, 1921.
5. F r i s c h К. V., Die Tanze der Bienen. Osterr. zool. Z., 1, 1 (1946).
6. В e 1 i n g I., Uber das Zeitgedachtnis der Bienen, Z. vergl. Physiol., 9, 259
(1929).
7. Wahl O., Neue Untersuchungen uber das Zeitgedachtnis der Bienen, Z. vergl.
Physiol., 16, 529 (1932).
8. P a s c h к e I., Uber das Zeitgedachtnis der Bienen. Lehramtsarbeit, Munchen,
1956.
9. Grabensberger W., Experimentelle Untersuchungen fiber das Zeitgedachtnis
von Bienen und Wespen nach Verfiitterung von Euchinin und Jodthyreoglobulin,
Z. vergl. Physiol., 20, 338 (1934).
10 К a 1 m u s H., Uber die Natur des Zeitgedachtnisses der Bienen. Z. vergl. Physiol.,
20, 405, 1934.
11. Werner G., Tanze und Zeitempfinden der Honigbiene in Abhangigkeit vom
Stoffwechsel, Z. vergl. Physiol., 36, 464 (1954).
12. Renner M., Neue Versuche fiber den Zeitsinn der Honigbiene, Z. vergl. Physiol.,
40, 85 (1957).
13. F r i s c h К. V., Psychologie der Bienen, Z. Tierpsychol., 1, 9 (1937).
14. Renner M., Ein Transozeanversuch zum Zeitsinn der Honigbiene, Naturwiss.,
42, 540 (1955).
15. Renner M., The clock of the bees, Nat. Hist. Mag., 68, 434—440 (1959).
16. Renner M., Die Haltung von Bienen in geschlossenen, kunstlich beleuchteten
Raumen. Naturwiss., 42, 539 (1955).
17. Renner M., Uber ein weiteres, Versetzungs — experiment zur Analyse des
Zeitsinnes und der Sonnenorientierung der Honigbiene, Z. vergl. Physiol., 42,
449—483 (1959).
18. Korner I., Zeitgedachtnis und Alarmierung bei den Bienen, Z. vergl. Physiol.,
27, 445 (1940).
19. Lutz F. E., The «Buckwheat Problem» and the behavior of the honey-bee. Amer.
Mus. Novit., Nr. 688 (1934).
20. Stein-Beling I. V., Uber das Zeitgedachtnis bei Tieren, Biol. Rev. Cam-
bridge, 10, 18 (1935).
21. Kleber E., Hat das Zeitgedachtnis der Bienen biologische Bedeutung? Z. vergl
Physiol., 22, 221 (1935).
22. W a h 1 O., Beitrag zur Frage der biologischen Bedeutung des Zeitgedachtnisses
der Bienen, Z. vergl. Physiol., 18, 709 (1933).
23. Renner M., Der Zeitsinn der Arthropoden, Erg. Biol., 20, 127—158 (1958).
24. Frisch К. V., Geloste und ungeloste Ratsel der Bienensprache, Naturwiss.,
35, 12 and 38 (1948).
25. Frisch K., Die Polarisation des Himmelslichtes als orientierender Faktor bei
den Tanzen der Bienen, Experientia (Basel), 5, 142 (1949).
26. Frisch К. V., Die Sonne als Kompass im Leben der Bienen. Experientia (Basel),
6, 210 (1950).
27. F r i s c h К- V., Die Richtungsorientierung der Bienen. Verh. dtsch. zool. Ges.
Freiburg 1952. Leipzig: Geest und Portig (1953).
28. F r i s c h К- V., L i n d a u e r M., Himmel und Erde in Konkprrenz bei der
Orientierung der Bienen, Naturwiss., 41, 245 (1954).
29. Medioni J., L’orientation «astronomique des arthropodes et des oiseaux»,
Annee biol., 32, 37 (1956).
30. L i n d a u e r M., Sonnenorientierung der Bienen unter der Aquatorsonne und
zur Nachtzeit, Naturwiss., 44, 1 (1957).
600 М. Реннер
31. L i n d a u e r M., Angeborene und erlernte Komponenten in der Sonnenorientierung
der Bienen, Z. vergl. Physiol., 42, 43—62 (1959).
32. Sauer F., Die Sternorientierung nachtlich ziehender Grasmiicken (Sylvia atri-
capilla, borin und courrara), Z. Tierpsychol., 14, 29—70 (1957).
33. H a s 1 e r A. D., H о r r a 1 1 R. M., Wisby W. J., Braemer W., Sun-
orientation and homing in fishes. Limnology and Oceanography, 3, 353—361
(1958).
34. G u m b e 1 E. J., Application of the circular normal distribution, J. Amer. Stat.
Ass., 49, 267 (1954).
35. Gumbel E. J., Greenwood J. A., Durand D., The circular normal
distribution. J. Amer. Stat. Ass., 48, 131 (1953).
ОРИЕНТАЦИЯ ПО НЕБЕСНЫМ ОРИЕНТИРАМ
С ПОПРАВКОЙ НА ВРЕМЯ
М. ЛИНДАУЭР
Способность пчел ориентироваться
по солнцу с поправкой на время
о
Всего лишь несколько лет прошло с тех пор, как Фриш показал, что
пчелы умеют ориентироваться по солнцу и обладают способностью пра-
вильно связывать время дня с азимутом солнца [1]. Этого нельзя было ожи-
дать a priori. Как известно, у пчел в отличие от птиц нет постоянных путей
перелетов и нет также врожденного предпочтения какого-либо определен-
ного направления полета, каким обладают, например, Talitrus и некоторые
жуки и пауки. Маршрут их полета меняется день ото дня и от недели к неде-
ле. Они могут с помощью различных ориентиров без труда находить путь
ко вновь открытым местам кормления. Например, когда пчелы-сборщицы
посещают в естественных условиях места кормления, они обычно могут
ориентироваться по разнообразным видимым наземным приметам — де-
ревьям, дорогам и т. д.
Конечно, когда пчелы в темном улье указывают посредством танца на-
правление полета, они используют в качестве исходного ориентира солнце.
Но обычно у них нет необходимости учитывать в это время движение солнца,
потому что, как правило, полет для сбора и танец следуют непосредственно,
друг за другом.
I. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ДОКАЗАТЕЛЬСТВА СПОСОБНОСТИ ПЧЕЛ
ОРИЕНТИРОВАТЬСЯ ПО СОЛНЦУ С ПОПРАВКОЙ НА ВРЕМЯ
Описанные ниже эксперименты показывают, что пчелы в совершенстве
владеют этим типом ориентации по солнцу и широко им пользуются.
1. Если приучить группу пчел-сборщиц питаться в месте сбора, распо-
ложенном в 150 м к югу от улья, и через некоторое время перенести кормуш-
602
М. Линдауэр
ку вместе с сосущими пчелами на 150 м к востоку, западу или даже северу
от улья, то в этом случае пчелы не вернутся прямо к улью; вместо этого
они полетят в привычном направлении, на север. Пролетев 150 м, пчелы
начинают усиленно искать ожидаемый улей. Очевидно, в этом случае
не может идти речь о такой совокупности ориентиров, которая заставляла
бы пчелу лететь к северу; примета, указывающая направление, скорее
должна находиться вне поверхности Земли — и такой приметой может
служить именно солнце 12]. Однако из описанного эксперимента мы
не можем узнать, способны ли пчелы учитывать также движение солнца.
Этот вопрос изучал Медер [3], который в аналогичном эксперименте изоли-
ровал пчел в кормушке и выдерживал их в течение одного или нескольких
часов в темноте. После освобождения пчелы не изменяли направления
полета и летели по-прежнему к северу независимо от того, перемещалась
ли кормушка в неизвестное место или нет. Это означает, что пчелы должны
были ввести поправку на перемещение солнца во время их пребывания
в темноте.
2. Как уже указывалось, танец пчелы-сборщицы обычно происходит
непосредственно после того, как она летала за взятком. Однако существуют
и исключения; можно вызывать танец пчел-сборщиц даже в том случае,
если пчелы не взяли взяток в своих обычных местах кормления. Предраспо-
ложенность к танцу можно стимулировать в дождливую погоду или даже
ночью, давая пчелам пищу непосредственно в улье. В этом случае пчелы
начинают танцевать, не оповещая, однако, что пища находится поблизости,
а именно в улье. Вместо этого они вспоминают последнее привычное место
кормления вне улья и выполняют виляющий танец, указывающий направле-
ние и расстояние до цели. Подобным же образом, с помощью таких же тан-
цев, пчелы-разведчицы, нашедшие подходящее место для гнезда, могут ука-
зывать расположение этого места. Эти танцы могут продолжаться еще
долго после фактического отыскания подходящего места для гнезда. Во всех
этих случаях танцующие пчелы учитывают движение солнца, даже если
небо от них закрыто. Направление виляющего танца таких «танцоров-
марафонцев» медленно смещается против часовой стрелки со скоростью
около 15° в час [4, 5].
Особенно удивительно, что эти танцоры даже ночью правильно указы-
вают азимут солнца, хотя, конечно, они никогда не видят ночного положе-
ния солнца. Это означает, что они должны оценивать ночное движение
солнца на основании хорошо известного им движения днем [6].
3. Такого рода способность у пчел учитывать время можно также про-
демонстрировать с помощью эксперимента совершенно иного типа. Мы при-
учаем группу пчел к кормушке, расположенной в 180 м к северо-западу
от улья (фиг. 1, А). С вечера мы переносим всю колонию на новое, неизвест-
ное пчелам место. На следующий день мы предлагаем им на выбор 4 кормуш-
ки; одна из них находится в 180 м северо-западнее улья, т. е. в том направ-
лении, к которому пчелы приучены, остальные три расположены к северо-
востоку, юго-востоку и юго-западу от улья также на расстоянии 180 м.
Несмотря на то что на этой новой территории нет никаких знакомых пчелам
наземных ориентиров, которыми они могли бы пользоваться для выбора
направления, большинство пчел достигает северо-западной кормушки. Это
происходит даже в том случае, если пчел тренируют только после полудня,
а испытание проводится на утро следующего дня (фиг. 1,5). Следовательно,
ориентиром может служить только солнце. Однако пчелы в этом случае
не могут пользоваться абсолютным углом между направлениями на солнце
и на кормушку, так как этот угол совершенно различен при тренировке
Ориентация пчел по солнцу с поправкой на время 603.
и при испытании. Таким образом, они должны сделать поправку на пере-
мещение солнца [7].
4. Четвертое доказательство существования у пчел способности ориен-
тироваться по солнцу с поправкой на время состоит в следующем. На столе,
где находился корм, был нарисован черный квадрат на белом фоне (фиг. 2).
Фиг. 1. Эксперимент, иллюстрирующий способность пчел вносить поправку
на перемещение солнца.
Объяснение см. в тексте. Цифры означают число пчел, прилетевших к каждой кормушке.
А
Вершины квадрата были ориентированы по четырем странам света. Блюдце
•с сахарным сиропом помещали около южной вершины. При тренировке,
которую проводили только во второй половине дня, кормовой стол нахо-
дился восточнее улья, так что пчелы приближались к нему с запада. При
Фиг. 2. Приспособление для тренировки пчел непосредственно
на кормовом столе.
Объяснение см. в тексте.
проведении опыта (утром) помещали другой такой же кормовой стол
(с пустыми блюдцами) в другом районе, к югу от улья; расположение квад-
рата было таким же, как и во время тренировки. Поскольку на этот раз
пчелы приближались к рисунку с севера, западная вершина черного квад-
рата при испытании находилась в том же положении относительно на-
правления полета пчел, как южная во время тренировки, производимой
604
М.. Линдауэр
накануне. Результаты опыта были таковы: всего на поставленные у четырех
вершин квадрата блюдца (пустые) село 75 пчел. 64 из них были зарегистри-
рованы у южной вершины, 3 — у восточной, 7 — у западной и 1 — у север-
ной (Линдауэр, неопубликованные данные).
Это еще раз указывает на то, что для пчел решающее значение имело
положение рисунка с кормом относительно стран света, а не относительно
направления полета. В этом случае опять-таки никакие наземные ориентиры
не могли помочь определить положение квадратного рисунка; следователь-
но, результаты опыта можно объяснить только способностью пчел ориенти-
роваться по солнцу.
5. Насколько совершенно может работать у пчел механизм ориентации
по солнцу, показывает следующий эксперимент. Известно, что пчелы-сбор-
щицы способны запоминать расположение не одного, а нескольких мест
кормления и сочетать направление полета с временем кормления для каж-
дого из них. Если группе пчел-сборщиц предлагаются два места кормления
в различных районах и в разное время суток — например, первое в 8 час.
утра на юге, а второе в 6 час. вечера на востоке, — то пчелы запоминают
время кормления и расположение обоих мест. Посредством танца в улье они
могут правильно указывать азимуты обоих этих мест. Если вызвать танец
пчел ночью, то выбор направления танца не будет случайным — танец ука-
жет направление к тому месту, где время кормления будет ближайшим
к времени танца. В одном случае, например, в 21 час. 31 мин. «танцовщица»
сообщила о месте кормления на востоке, в котором дают корм ежедневно
в 18 час, а в 3 час. 54 мин. утра она сообщила уже о месте кормления на юге,
где пищу предлагают в 8 час. утра [6].
Это какие-то совершенно удивительные действия. Мы поставили спе-
циальные эксперименты, чтобы выяснить, обладают ли пчелы способностью
ассоциировать различное время кормления с различными местами кормле-
ния также и в нормальных условиях.
1. Уже известно, что можно без особого труда приучить пчел искать
пищу в несколько отдельных приемов в течение дня. Ваалю удавалось
выработать у пчел 5 периодов кормления, при условии что промежуток
времени между двумя периодами составлял не менее 2 час. Нас заинтересо-
вал вопрос, можно ли приучить пчел к отдельным периодам кормления
в сочетании с различными местами кормления. Вааль [8] также пытался
добиться этого, однако его опыт показал, что пчелы хорошо запоминают
оба периода кормления, но прилетают в это время к обеим кормушкам.
Число пчел, прилетавших в нужное время к нужной кормушке, лишь незна-
чительно превышало число пчел, прилетавших в это же время к другой
кормушке. Повторив этот эксперимент, мы получили значительно более
определенные результаты. В основном это объясняется тем, что в нашем
опыте кормушки были расположены на большем расстоянии от улья (Вааль
размещал их всего лишь в 30 м от улья), что увеличивало «ущерб», кото-
рый несла пчела при выборе неверного направления или времени.
Мы поставили эксперимент следующим образом. В течение нескольких
дней группу помеченных пчел кормили с 8 до 9 час утра на расстоянии
200 м к северу от улья, а с 17 до 18 час.— 200 м к югу от улья. После этого
в день опыта оставили кормушки пустыми и регистрировали число пчел,
прилетавших (один или несколько раз) к той и к другой. Как показывает
фиг. 3, приученные пчелы прилетали не только в правильное время, но
и на правильное место. На место послеобеденного кормления прилетело
меньше пчел потому, что помешал ливень (Линдауэр и Финке, неопублико-
ванные данные).
Ориентация пчел по солнцу с поправкой на время
605
Теперь становится более понятным поведение ночных танцовщиц: и вре-
мя, и места кормления запечатлены в памяти у пчелы, и поэтому танцы ука-
зывают на то место, в котором время кормления ближе к времени танца.
2 Наблюдения Бройнингера (личное сообщение) показали, насколько
поразительной может быть память у пчел, когда дело касается ориентации
по солнцу. С 24/X по 1/XI 1957 г. Бройнингер кормил группу пчел
на расстоянии 385 м к северо-северо-востоку от улья. Пчелы были помечены.
Время суток
до полудня после полудня
Фиг. 3. Результаты эксперимента, иллюстрирующего способность
пчел ассоциировать различное время кормления с различными
местами кормления в нормальных условиях.
Сплошная линия — число пчел, прилетевших на место кормления, располо-
женное к северу; пунктир — число пчел, прилетевших на место кормления,
расположенное к югу. Подробности см. в тексте.
Похолодало, и опыт пришлось прекратить. Улей был занесен в комнату
с умеренной температурой. 8/XII 1957 г. в 10 час. 15 мин. утра колонию
кормили в улье. Стеклянные окошки давали возможность наблюдать за кор-
мящимися в улье пчелами. После того, как пчелам была предложена пища,
пчела № 51 начала танцевать. К большому удивлению, пчела танцевала
так, как будто бы она только что вернулась со старого места кормления,
которое она последний раз посетила 1/X I. Указываемое направление явно
было северо-северо-востоком. Пчела№88 в то же самое время вела себя ана-
логичным образом. Танцы выполнялись на вертикальных сотах; голубое
небо было для пчел невидимо.
Следовательно, эти пчелы не только неделями помнили направление
на их старое место кормления, но и знали также азимут солнца в любое
время дня, хотя они в течение нескольких недель не видели солнца.
IL ОТНОСИТЕЛЬНАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ «СОЛНЕЧНОГО КОМПАСА»
И НАЗЕМНЫХ ОРИЕНТИРОВ
Для рассматриваемой нами проблемы большой интерес представляет
вопрос о том, в какой степени пчелы пользуются в качестве ориентира солн-
цем и в какой — наземными приметами. Для изучения этого вопроса мы
Б
Фиг 4 Эксперимент, иллюстрирующий роль протяженного наземного ориентира
Цифры указывают чисто пчел зарегистрированных в местах кормления (к югу полетело только
5 пчел) Объяснение см в тексте
Ориентация пчел по солнцу с поправкой на время
607
провели группу экспериментов, в которых солнце и ориентиры как бы конку-
рировали друг с другом.
1. Мы приучаем группу пчел к месту кормления южнее улья. При этом
пчелам приходится лететь вдоль протянувшейся прямо с юга на север
опушки леса, которая служит для них очень заметным наземным ориентиром
(фиг. 4, Л). После завершения тренировки мы с вечера переносим улей
на новую территорию, где он снова находится на опушке леса, но уже
простирающейся с востока на запад; таким образом, бросающийся в глаза
ориентир повернут во втором случае на 90° (фиг. 4, Б). Вопрос состоит
в следующем: полетят ли пчелы к югу в соответствии с компасом или
к западу в соответствии с ориентиром? Произошло последнее.
Фиг. 5. Пейзаж района тренировок (Д) и района испытаний (Б) в эксперименте по
изучению роли отдельно стоящих ориентиров.
Улей на переднем плане, кормовой стол в 70 м за деревом. Тренировки проводились во второй
половине дня, испытания — утром на следующий день. Объяснение см. в тексте.
В этом эксперименте улей был помещен близко к лесу. Когда же улей
находился на рассстоянии 200 м от леса, так что пчелы могли видеть верхний
край леса под углом к горизонту всго лишь около 3°, они больше не поль-
зовались опушкой в качестве направляющей линии, а следовали солнечному
компасу и летели к югу.
Влияние солнца также утрачивалось, когда мы тренировали пчел
вдоль прямого берега озера или вдоль дороги: после перенесения в другой
ландшафт, внешне похожий, но повернутый по компасу на 90°, пчелы снова
вводились в заблуждение наземными ориентирами.
Когда мы предлагали пчелам ориентиры, не образующие непрерывной
линии от улья до цели,— например, дерево или большую группу деревьев,
стоящую на полпути от улья до цели,— пчелы не реагировали на эти броские
ориентиры и следовали солнечному компасу. На фиг. 5, А показано такое
бросающееся в глаза дерево, стоящее среди открытого луга; этот луг пчелам
приходилось пролетать по пути к месту кормления, расположенному к югу
от улья. В день опыта похожее дерево стояло к востоку от улья (фиг. 5, Б).
Однако пчелы летели в южном направлении, т. е. следовали солнечному
компасу [7].
2. Конкуренцию между солнечным компасом и наземными ориентирами
можно также создать прямо на кормовом столе: пчелам предлагается черно-
•608
М. Линдауэр
белый рисунок, в котором белое прямоугольное поле, расположенное
в центре, справа и слева граничит с черными прямоугольными полями того
же размера (фиг. 6, Л). С помощью стенки, установленной позади этой
фигуры, пчел-сборщиц вынуждают приближаться к кормовому столу
с определенной стороны. Мы приучаем пчел посещать правое черное поле.
Положение всего стола таково, что это поле находится к югу от левого чер-
ного поля, так что доступ к столу открыт пчелам только с запада. Таким
Ф и г. 6. Эксперимент, позволяющий изучать конкуренцию между
солнцем в качестве ориентира и наземными ориентирами прямо на
кормовом столе.
Объяснение см. в тексте.
образом, пчелы одновременно приучены находить пищу справа и к югу.
В последующем опыте все приспособление переносится на новое место
и поворачивается на 180°. Правое черное поле расположено теперь к северу
от левого, а пчелы вынуждены приближаться с востока. Мы стремились
выяснить, что окажется сильнее — тренировка лететь вправо или к югу.
Оказалось, что решающее значение имеет солнечный компас: в двух опытах
преобладающее число пчел (148 из 211) попадает на левое черное поле, рас-
положенное южнее (фиг. 6, 5).
III. ЯВЛЯЕТСЯ ЛИ ОРИЕНТАЦИЯ ПО СОЛНЦУ С ПОПРАВКОЙ
НА ВРЕМЯ НАСЛЕДСТВЕННОЙ ИЛИ БЛАГОПРИОБРЕТЕННОЙ?
К решению вопроса о том, в какой степени ориентация по солнцу
с поправкой на время является врожденной и в какой приобретается
в результате опыта, мы подошли двумя путями.
1. Пчел в подходящий сезон перевозили из северного полушария
в южное или наоборот. На новом месте пчелы сталкивались с задачей
ориентироваться по движению солнца, Направление которого было проти-
воположно тому, к которому они привыкли. При испытании потомков пере-
везенных пчел Калмус не смог обнаружить у них какого-либо приспособле-
ния к новым условиям. Живущие в Бразилии пчелы, предки которых проис-
ходили из Северной Америки, даже после смены нескольких поколений
ориентировались таким образом, как если бы солнце по-прежнему двигалось
по часовой стрелке [9].
Наши собственные опыты дали следующие результаты. В июле 1955 г.
колония Apis indica была привезена в Мюнхен с Цейлона. При таком пере-
мещении произошла резкая смена географической широты и долготы, озна-
Ориентация пчел по солнцу с поправкой на время
609
чающая перемену направления в движении солнца и изменение местного
времени. Как и следовало ожидать, первые недели в Мюнхене пчелы были
дезориентированы. Однако по прошествии 43 дней пчелы, приученные
летать во второй половине дня к югу, нашли правильное направление также
и утром следующего дня, после того как они были с вечера перенесены
на неизвестное место. К сожалению, мы в этом случае не могли сказать,
видели ли уже подопытные пчелы солнце на Цейлоне или они выплодились
в Мюнхене. Но мы установили, что по крайней мере потомки ввезенных
пчел приспособились к условиям новой внешней среды, а именно к изме-
нившейся фазе суточного цикла и противоположному направлению
движения солнца 16].
• ••
• • •
• ••
• •
t ?
it;
Ч/ \?
Фиг. 7. Эксперимент, проведенный в Южной Америке с пчелами,
происходящими от североамериканской матки.
Пчел тренировали летать на северо-запад. При испытании на неизвестной
местности в другое время суток они, как и пчелы южноамериканского про-
исхождения, нашли северо-западное направление. Каждая точка обозначает
одну пчелу, отмеченную на кормовом столе.
Так как эти результаты оказались в противоречии с данными Калмуса,
я с помощью усовершенствованных методов повторил его опыты по пере-
мещению, наблюдая за поведением североамериканских пчел в той же мест-
ности в Бразилии. Как и в опыте Калмуса, испытывалось первое поколение
потомства маток, вывезенных из Северной Америки. Результаты представ-
лены на фиг. 7. Из них можно видеть, что эти североамериканские пчелы
хорошо знакомы с солнечным компасом южного полушария. Гибридные
пчелы, т. е. потомки североамериканской матки и южноамериканского
трутня, ориентировались также безошибочно, учитывая движение солнца
против часовой стрелки (результаты Калмуса с такими гибридными пчелами
были неубедительны) [10].
К сожалению, из-за существующих законов, регулирующих ввоз,
мы не смогли перевезти из Северной Америки в Бразилию целый улей, так
что у нас не было возможности проследить за изменением ориентации
у отдельных пчел.
2. Для того чтобы разобраться в противоречивых данных, полученных
Калмусом и нами, мы использовали также другой метод: пчел выплаживали
в инкубаторе и затем выращивали при искусственном освещении (12 час
света и 12 час темноты) до тех пор, пока они не достигали возраста пчелы-
сборщицы. В ясную погоду во второй половине дня колонию выносили
на открытый воздух и приучали группу собирать пищу в определенном
направлении, а именно к югу от инкубатора. На следующее утро пчел пере-
носили на новое место и проверяли их способность выбрать одно из направ-
610
М. Л индауэр
лений стран света. Если способность ориентироваться по солнцу с поправ-
кой на время является полностью врожденной, то можно было бы ожидать,
что большинство пчел будет лететь к тому кормовому столу, который нахо-
дится в привычном направлении, как и поступают все имеющие опыт пчелы.
Если же пчелам приходится обучаться тому, в каком направлении и с какой
скоростью движется солнце, и если они могут приспособиться к противо-
положному направлению движения солнца после перемещения на новую
географическую широту, то можно было бы ожидать, что пчелы, которые
были выращены без солнца, не смогут пользоваться солнечным компасом
в первые дни свободного полета в поле.
Фиг 9. Направление первых вылетов не-
опытных пчел после перенесения в другую
местность.
Направлением тренировок был юг. Цифры указы-
вают число зарегистрированных полетов.
Фиг, 8 Эксперимент, показываю-
щий, что пчелы, выращенные без
солнца, не могут после перемещения
найти правильное направление (ре-
Л зультаты четырех опытов).
Объяснение см. в тексте.
Эксперимент был поставлен следующим образом. Улей с пчелами
которые никогда не видели солнца, принесли в поле в 12 час. дня и немедлен-
но, вслед за этим начали приучать группу пчел-сборщиц к месту кормления,
расположенному в 180 ж к югу от улья, давая им пищу до вечера. На сле-
дующее утро улей был перенесен в новый район, и по странам света было
поставлено четыре кормовых стола, снова в 180 м от улья. Каждую приле-
тевшую к кормовому столу пчелу ловили и изолировали, чтобы она не тре-
вожила подруг танцами. Фиг. 8 показывает результаты четырех таких,
опытов. Ясно видно, что не имеющие опыта пчелы не способны учесть дви-
жение солнца. Еще более показательно поведение этих пчел во время
их первых полетов утром, когда они слетают с летка. Время и направление
этих вылетов отмечал наблюдатель, находившийся около улья. Фиг. 9 пока-
зывает, что полеты были беспорядочно распределены по всем направлениям.
Особенно поразительно, что большинство пчел вернулось в улей после
безуспешного полета и пыталось снова найти кормовой стол в другом
направлении. В утро опыта из 44 совершавших первый полет пчел только
4 сразу достигли одного из 4 кормовых столов; одной пчеле пришлось
летать дважды, двум — 3 раза, одной — 4 раза, двум — 5 раз и одной
пчеле 6 раз, пока полет не увенчался успехом. Четыре пчелы не долетели
ни до одного кормового стола, хотя вылетали из улья соответственно 2, 4, &
Ориентация пчел по солнцу с поправкой на время
611
и 6 раз. Это поведение находится в полной противоположности с нашими
наблюдениями на старых пчелах, имеющих опыт ориентации по солнцу [7].
Если, однако, таких неопытных пчел приучать к определенному направ-
лению по меньшей мере 5 дней, то они приобретают способность находить
правильное направление даже в неизвестной местности и во время суток,
отличное от времени тренировок. По-видимому, за 5 дней они обучаются
правильно рассчитывать движение солнца.
Было бы желательно проанализировать этот процесс обучения более
подробно. По-видимому, сначала пчелы обучаются сохранять постоянный
угол между направлением на солнце и направлением полета. Когда инку-
баторных пчел 3 дня подряд приучали лететь к югу, проводя тренировку
во второй половине дня, то на утро четвертого дня большинство из них
полетело к востоку; это означает, что утром они придерживались того
же угла между направлением на солнце и направлением полета, что и после
полудня в предыдущие дни [10].
Для того чтобы изучить поведение не имеющих опыта пчел,
мы использовали также приучение к определенному направлению
непосредственно на кормовом столе (см. опыт 4 в разд. I). Даже такие,
выращенные без солнца, пчелы легко обучались находить соответствие
между вершинами черного квадрата на кормовом столе и странами света.
Они предпочитали эту южную вершину также и на новом месте, но только
в том случае, если такой опыт проводился немедленно после тренировки,
т. е. при том же, что и во время тренировки, положении солнца. Если,
однако, опыт проводился в другое время дня, то, как показывает таблица,
пчелы не могли отличить южную вершину квадрата от трех других (Лин-
дауэр, неопубликованные данные).
Результаты опытов по приучению пчел к определенному
(западному) направлению непосредственно
на кормовом столе (см. фиг. 2)
Время тренировки 12—18 час.
Время опыта Число пчел, севших вблизи разных вершин квадрата
южная восточная северная западная
14 час. 10 мин. 16 час. 00 мин. 6 4 6 2 5 1 27 31
8 час. 15 мин. 10 22 12 11
8 час. 00 мин. 16 23 10 13
С моей точки зрения, эти опыты убедительно доказывают, что спо-
собность использовать солнце в качестве ориентира действительно является
врожденной. Но тот факт, что солнце движется, а также направление его
движения по часовой или против часовой стрелки и скорость его движения
неизвестны пчелам от рождения, и им приходится обучаться этому на
опыте.
612
Al. Линдауэр
ЛИТЕРАТУРА
1. F г i s с h К- V.f Die Richtungsorientierung der Bienen Verh. D. Zool. Ges. Frei-
burg, 58—72, 1952.
2. Wolf E., Uber das Heimkehrvermogen der Bienen, Z. vergl. Physiol., 6, 221 —
254 (1927).
3. M e i d e r E., Uber die Einberechnung der Sonnenwanderung bei der Orientierung
der Honigbiene, Z. vergl. Physiol., 40, 610—641 (1958).
4. L i n d a u e r M., Dauertanze im Bienenstock und ihre Beziehung zur Sonnenbahn.
Die Naturwissenschaften, 41, 506—507 (1954).
•5. L i n d a u e r M., Schwarmbienen auf Wohnungssuche, Z. vergl. Physiol., 37,
263—324 (1955).
'6. L i n d a u e r M., Sonnenorientierung der Bienen unter der Aquatorsonne und zur
Nachtzeit. Die Naturwissenschaften, 44, 1—6, 1957.
7. Frisch К- V., Lindauer M., Himmel und Erde in Konkurrenz bei der
Orientierung der Bienen. Die Naturwissenschaften, 41, 245—253 (1954).
Wahl O., Neue Untersuchungen fiber das Zeitgedachtnis der Bienen. Z. vergl.
Physiol., 16, 529—589, 1932.
‘9. К a 1 m u s H., Sun navigation of Apis mellifica L. in the southern hemisphere,
J. Exper. Biol., 33, 554—565 (1956).
10. L i n d a u e r M., Angeborene und erlernte Komponenten in der Sonnenorientie-
rung der Bienen. Z. vergl. Physiol., 42, 43—62 (1959).
ОБСУЖДЕНИЕ ДОКЛАДА
К ал м у с. Я был бы рад немедленно признать, что д-р Линдауэр
прав, а я не прав. К сожалению, это не так просто. Хотя д-р Линдауэр,
несомненно, показал, сколь значительные изменения может вызвать у пчел
направление суточного движения солнца, он, вероятно, отверг мои резуль-
таты весьма необдуманно. В частности, совершенно неприемлем его ста-
тистический подход. Я думаю, что для решения этого вопроса требуются
некоторые дополнительные исследования.
Линдауэр. 1. На мой взгляд, статистическая оценка в статье
Калмуса неубедительна потому, что опыты проводились на протяжении
всего дня; это значит, что в расчеты включены данные, относящиеся в тому
времени дня, в которое обычно проводились тренировки. Но в эти часы
у пчел вовсе нет необходимости вносить поправку на движение солнца.
Если пчел, зарегистрированных во время опыта в часы тренировки, исклю-
чить из статистических расчетов, то данные Калмуса нельзя будет считать
доказательством того, что пчелы в Бразилии учитывают движение солнца
по часовой стрелке.
2. Мы пришли к выводу, что единственный способ разрешения спора
состоит в том, чтобы повторить эксперимент Калмуса по перемещению,
применив усовершенствованный метод, разработанный нами с учетом всего
многолетнего опыта исследований по поведению пчел. Подробное описание
этого метода и полученные с его помощью дополнительные результаты
приведены в оригинальной статье [8].
Ж. БИРЮКОВ
Роль врожденных часовых систем
в ориентации насекомых
о
«Физиологические часы» могут использоваться организмами по-раз-
ному. В работах Бюннинга [1, 2], Питтендрая [3], Питтендрая и Брюса [4]
показано, что способность измерять время свойственна очень многим расте-
ниям и животным и что часовые системы, несомненно, играют важную роль
при адаптации живых организмов. Одно из самых поразительных открытий
последних лет было сделано Фришем [5], который обнаружил, что пчелы
при ориентации в пространстве могут вносить поправку на движение сол-
нца. Фриш показал, что ориентация с поправкой на время является важней-
шей предпосылкой общественного поведения пчел, в том числе их так назы-
ваемого «языка». Эта работа открыла новую область исследования для
физиологов, занимающихся органами чувств, этологов и особенно для тех,
кто занимается изучением механизмов биологических часов.
Проблема циркадных ритмов имеет, в частности, поведенческий аспект.
Но поведение в целом нельзя понять без глубокого анализа его элементов.
Следут отметить, что при изучении суточной периодичности мы столкнулись
вначале с весьма старым вопросом, касающимся причинной структуры пове-
дения,— вопросом о том, является ли поведение «спонтанным», или его
можно представить в виде ряда простых реакций на внешние воздействия.
Подход к изучению очень сложной формы поведения — навигации по небес-
ным ориентирам — должен быть таким же, как при исследовании любой
другой формы поведения. Мы начали с описания и сравнения. Затем мы
надеемся выяснить причинную структуру навигации по небесным ориенти-
рам, в том числе ее нейрофизиологическую основу и функции. Последним
шагом будет изучение возникновения способности к такой навигации в ходе
филогенеза и онтогенеза. Однако по этому вопросу мы имеем еще очень мало
данных.
Было бы логично предположить, что с эндогенным часовым механиз-
мом, которым пользуется животное для внесения поправки на изменившееся
положение солнца или какого-либо другого небесного ориентира, связан
ориентирующий механизм, обеспечивающий таксис. Но вопрос о природе
этого таксиса остается пока спорным.
При изучении часового механизма, по-видимому, удобнее оперировать
с фиксированными формами поведения, такими, как двигательная актив-
ность или инстинктивные движения, так как большинство из них врожденно
и легко наблюдаемо. Что же касается ориентации во времени и пространст-
ве, то относительно спонтанности и «врожденности» этого процесса нам
известно очень немного; животное не вынуждено ориентироваться, оно
614
Ж- Бирюков
может делать это. Животных можно обучить выбору определенного направ-
ления в пространстве, но иногда они обучаются этому сами. Большая
часть полученных недавно замечательных результатов в области нави-
гации по небесным ориентирам, за исключением работ по миграции птиц,
основана на обучении. Приобретенное в процессе обучения стремление
перемещаться в определенном направлении у одних видов (например,
у пчел) быстро изменяется, у других (амфиподы) сохраняется довольно
долго [6, 7]. И в том и в другом случае очевидно, что животные, приобре-
тающие способность ориентироваться во времени и пространстве только
после обучения, должны, по крайней мере, обладать какими-то наследствен-
ными физиологическими механизмами, начинающими действовать после
того, как направление задано. Таким образом, здесь играют роль как гене-
тические, так и онтогенетические факторы. Поясним это на примере. Фриш
[5] показал, что пчела, танцующая на вертикальных сотах, преобразует
угол ориентации по азимуту солнца в вертикальный угол геотаксиса в лю-
бое время дня и, как показал Линдауэр [8, 9], даже ночью. Такая способ-
ность считалась уникальной до тех пор, пока не было установлено [10—13],
что и многие другие насекомые, например жуки разных видов, ведут себя
аналогичным образом, если их экспериментально принуждают сменить
фототаксис на геотаксис. В этом случае угол их ориентации относитель-
но направления силы тяжести равен углу относительно направления на
источник света (например, на солнце), действовавшего на животных ранее.
Некоторые жуки, например обычный жук-навозник Geotrupes silvaticus
Panz., разумеется, никогда не используют это свойство в естественных
условиях: там оно совершенно бесполезно. Возможно, что такие врожден-
ные механизмы таксиса использовались предками пчел (которые еще
не были общественными насекомыми) в то время, когда у них формирова-
лась передача сведений о направлении.
Посмотрим теперь, какую роль играют подобные нейрофизиологические
механизмы при изменении ориентации в зависимости от времени. Многие
так называемые «чистые ритмы» [3], например изменение окраски краба
Uca [14] или фототаксиса у Euglena [15, 16], на самом деле имеют очень
небольшое функциональное значение. Но доказательств существования
постоянных ритмов изменения ориентации, не имеющих функционального
или адаптивного значения, очень мало, так как большая часть эксперимен-
тальных работ связана с благоприобретенными ритмами такого рода.
Изучение спонтанных ритмов изменения ориентации представляет особый
интерес потому, что оно позволяет быстрее приблизиться к пониманию
природы часового механизма, его фило- и онтогенеза.
РОЛЬ ЧАСОВЫХ СИСТЕМ В ОРИЕНТАЦИИ У VELIA
В поисках подобного рода преадаптаций к выбору направления с уче-
том времени у членистоногих мы обнаружили их два года назад [17, 18]
у водомерки Vella currens F. Указанное свойство является, по-видимому,
врожденным. При выборе направления животное использует информацию
либо о положении солнца или искусственного источника света, либо
о направлении плоскости поляризации света неба. Если поместить этих
насекомых на сухую почву под ясным небом, они побегут точно на юг,
внося поправку на изменяющееся с течением дня положение солнца (фиг. 1).
Точно так же они ориентируются в помещении, куда не проникает солнеч-
ный свет, относительно искусственного источника света (фиг. 2). В обоих
Роль врожденных часовых систем в ориентации насекомых
615
случаях угол между направлением движения и направлением на источник
света уменьшается в период от восхода солнца до полудня, пока солнце
находится слева от животного, и увеличивается, когда оно находится сцрава.
С захода до полуночи, когда солнце находится справа, угол уменьшается,
а с полуночи до восхода снова увеличивается. Иными словами, основной
внутренний процесс идет ночью так же, как и днем, но в противоположном
направлении. Аналогичный тип ночной ориентации был обнаружен ранее
Фиг. 1. Результаты наблюдений над движением 12 особей Velia
под ясным небом.
Каждая точка указывает направление движения насекомого в одном
из 10 последовательных опытов.
Парди [6] у амфиподы Talitrus, а затем и у некоторых других членисто-
ногих [19, 20]. Ночная ориентация такого типа принципиально отличается
от ориентации у пчел [9], рыб [21], птиц [22] и ящериц [23, 24].
Система, обеспечивающая способность Velia к измерению времени, обла-
дает многими характерными свойствами колебательных систем, затягивае-
мых циклами свет—темнота.
1. Амплитуда колебаний угла ориентации зависит у Velia от длины
светового периода (фиг. 3); при коротком зимнем дне она невелика (фиг. 3, А),
но если в течение 2 недель освещать животных искусственным рассеянным
светом 17 час в сутки (СТ 17 : 7), у них появляется летняя амплитуда коле-
баний (фиг. Б и В).
2. При непрерывном освещении (СС) или в постоянной темноте (ТТ)
амплитуда колебаний уменьшается, а примерно через 30 час животные
начинают двигаться прямо на свет.
3. Ритм изменений угла ориентации можно адаптировать к обращенному
световому циклу СТ 12 : 12 и вообще к любому сдвинутому во времени
циклу. У Velia регулирующее влияние светового и темнового периодов
Фиг. 2. Средние углы ориентации Velia относительно
искусственного источника света.
Каждая точка — среднее из результатов последовательных
измерений, проведенных на 10 особях в течение суток (СТ 12’ 12).
Время суток—центральноевропейское.
Фиг. 3. Ритм изменения ориентации Velia в условиях зимнего дня, т. е.
при СТ 7 : 17 (Л) и после двухнедельного пребывания в условиях светового
цикла СТ 17 : 7 (5 и В),
Роль врожденных часовых систем в ориентации насекомых
617
так велико, что животных можно адаптировать даже к световому циклу
СТ 5 : 5.
Механизм этой колебательной системы не подвержен влиянию темпе-
ратуры, но чувствителен к двуокиси углерода и к эфиру [25]. Оба вещест-
ва воздействуют на ритм только в том случае, если животные получают
их утром; при этом возникает такой же сдвиг фазы, как в результате про-
должительного затемнения в это время суток. Если же химическое воздей-
ствие осуществляется в самом начале темнового периода, оно неэффективно;
в этом случае оно даже компенсирует действие освещения в .ночное время.
Из этого следует, что наркоз, возможно, влияет только на некоторые све-
точувствительные механизмы в глазу.
По-видимому, ритмические изменения ориентации у Velia регулируют-
ся главным образом внешними световыми условиями. Это, конечно, не
означает отсутствия эндогенной периодичности, хотя нам и не удалось
обнаружить ритмичного изменения ориентации в условиях непрерывного
освещения. С помощью актографа была измерена двигательная активность
Velia; оказалось, что она тоже сильно зависит от чередования света и темноты
и может быть адаптирована даже к циклу СТ 4 : 4. В то же время эта актив-
ность обладает очень четким собственным 24-часовым периодом в условиях
непрерывного освещения или постоянной темноты [26].
Относительно «врожденности» и биологического значения такого рода
ориентации по световому компасу известно немного. Сначала нам показа-
лось, что животные из северной и южной Германии и из Испании ведут
себя одинаково. Однако дальнейшие опыты показали, что южное направле-
ние полетов Velia не так стабильно, как это казалось раньше. Некоторые
животные вообще не проявляют суточного ритма, а сохраняют постоянный
угол ориентации по отношению к источнику света. Некоторые летят в прямо
противоположном направлении, т. е. на север, или компенсируют движение
искусственного солнца против часовой стрелки, как если бы они вывелись
в Южном полушарии. По-видимому, механизм таксиса может действовать
и независимо от часов.
РИТМИЧНОСТЬ ПРИ ОРИЕНТАЦИИ ПО НАПРАВЛЕНИЮ
СИЛЫ ТЯЖЕСТИ У VELIA
Гравитация — единственный фактор, воздействия которого животное,
находящееся на Земле, не может избежать. Однако обладающая геотак-
сисом водомерка изменяет ориентацию периодически в соответствии со вре-
менем суток (фиг. 4). Как она могла этому научиться, понять трудно.
До полудня водомерка отклоняется вправо от вертикали, в полдень она
движется более или менее прямо вверх (180°), а после полудня отклоняется
от вертикали влево. Хотя точность такой ориентации невелика, есть осно-
вания считать, что ночью происходит такое же изменение направления
геотаксиса, как и при световой ориентации. Ритм геотаксиса также контро-
лируется естественным суточным чередованием света и темноты: если живот-
ных содержать в условиях обращенного светового цикла, направление
их движения соответственно меняется (фиг. 4, Б). При непрерывном осве-
щении ритмичность сравнительно быстро исчезает и заменяется постоян-
ным отрицательным геотаксисом [27]. Это, по-видимому, указывает на суще-
ствование некоего основного ритма, индуцируемого светом и управляемого
суточными циклами света и темноты. Однако разброс наблюдаемых ритмов
геотаксиса весьма велик. Большая часть особей изменяет углы так, как
Время суток
Фиг. 4. Углы ориентации относительно направления силы тяжести у особей Velia
из различных биотопов в условиях нормального чередования дня и ночи (Л) и в усло-
виях инвертированного дня (5).
Каждая точка — среднее из результатов 30 последовательных измерений.
Фиг. 5. Изменения ориентации относительно направления силы тяжести у отдельных
особей Velia в «нормальном» случае (Д) и в «инвертированном» случае (5).
Роль врожденных часовых систем в ориентации насекомых
619
это показано нафиг. 4, А и фиг. 5, А. Но приблизительно для 20% живот-
ных, наблюдавшихся в январе (фиг. 5, Б), соответствующие изменения
происходят как бы в зеркальном отражении. Мы до сих пор не знаем, опре-
делено это различие генетически .или нет. Более вероятно, что механизм
таксиса может как бы «переключаться» в ходе жизни животного. Есть
основания думать, что у Velia и у пчел, двигающихся под разными углами
по вертикальной стенке в улье в зависимости от положения солнца, меха-
низмы ориентации по направлению силы тяжести основаны на одних и тех
же принципах.
СПОСОБ ОРИЕНТАЦИИ У GEOTRUPES
Спонтанная ритмическая ориентация наблюдается также у обычного
жука-навозника Geotrupes siluaticus Panz. Несколько лет назад [10] мы
заметили, что жук-навозник может ориентироваться по поляризованному
свету ясного неба. Изучая зависимость направления движения такого
жука от времени, мы обнаружили существование «эффекта компаса», био-
логический смысл которого в естественных условиях существования живот-
ного оставался совершенно непонятным. Жуки-навозники этого вида живут
Фиг. 6. Векторные диаграммы, изображающие направление движения 75 особей
Geotrupes siIvaticus Panz. из различных биотопов в условиях освещения голубым поля-
ризованным светом неба при разных положениях солнца (август и сентябрь).
в лесу и находят пищу с помощью хеморецепции. Однако даже после ликви-
дации обонятельных органов и ориентиров они изменяли угол ориентации
относительно плоскости поляризации света неба или относительно солнца
и делали это почти так же, как Velia. На фиг. 6 представлены усредненные
векторные диаграммы для 75 жуков; они вычерчены в одном и том же месте
с помощью маленьких вращающихся шариков, прикрепленных к ножкам
жуков. Утром большая часть насекомых движется в восточном направле-
нии; к полудню доля восточных траекторий уменьшается, а число северных,
западных и южных почти одинаково. После полудня все больше животных
движется на запад, и доля западных траекторий к вечеру возрастает.
Фиг. 7. Результаты наблюдений над одним жуком-навозником, сохранявшим
постоянную ориентацию в течение 12 час (август).
См. подпись к фиг. 1
N
Фиг. 8. Результаты наблюдений над двумя жуками-навозниками
«восточно-западного» типа.
См. подпись к фиг 1.
Роль врожденных часовых систем в ориентации насекомых
621
Другими словами, до полудня жук-навозник использует для ориентации
по солнечному компасу, главным образом, правый глаз, а после полудня —
левый. В полдень число жуков, движущихся налево и направо, примерно
одинаково. При таком способе ориентации нет «компаса», указывающего
какое-то одно направление: жуки движутся преимущественно на восток
до полудня и на запад после полудня, как будто они стремятся вернуться
к заходу солнца в то самое место, откуда они начинали свой путь на рассве-
те [28].
Но и в этом случае не все особи ведут себя одинаково. На фиг. 7 пред-
ставлены результаты наблюдений над одним жуком, сохранявшим постоян-
ную ориентацию в течение всего дня; фиг. 8 дает картину поведения двух
жуков «восточно-западного» типа. Небольшая группа животных двигалась
в западном направлении до полудня и в восточном — после полудня.
Установить какую-либо связь между этими вариантами, с одной стороны,
и биотопом и возрастом или полом животных — с другой, пока не удалось.
В группе из 75 особей животные распределяются по характеру ориентации
следующим образом:
Доля
„ животных,
Характер ориентации о/
Ориентация, зависящая от времени:
восточно-западный тип................................................. 44
западно-восточный тип .............................................. 7,8
постоянное направление в пространстве в течение 12 час ............. 6,5
“5873
Ориентация, не зависящая от времени:
постоянное направление в течение 12 час (солнце слева) ............... 13
постоянное направление в течение 12 час (солнце справа) ............ 13
беспорядочное движение ............................................. 15,7
"4177
К сожалению, жук-навозник обладает очень слабо выраженной зависи-
мостью ориентации от времени при искусственном освещении: в этом случае
он чаще всего ориентируется на источник света. Но если освещать насекомых
сверху искусственным поляризованным светом, можно наблюдать ритм
Насекомых выпускали так, что их продольная ось была параллельна пло-
скости поляризации, и считали число поворотов вправо и влево. При этом
до полудня доля поворотов влево была невелика, к закату она возрастала
и к восходу вновь уменьшалась (фиг. 9, Л). В полночь и в полдень число
поворотов влево и вправо было одинаковым. Когда животных содержали
в условиях инвертированного дня (ТС 12 : 12), фаза ритма тоже менялась
на 180° (фиг. 9, Б является зеркальным отображением фиг. 9, Л). Эти
данные, по-видимому, подтверждают результаты описанных ранее опытов,
проведенных в естественных условиях (по крайней мере, для случая восточно-
западного типа ориентации). Животные, движущиеся до полудня к востоку,
отклоняются вправо от плоскости поляризации света, источник которого
находится в зените. После полудня они движутся влево. Аналогичные изме-
нения числа левых поворотов в течение дня были обнаружены у улиток
[29]. Можно добавить, что у жука-навозника эти изменения полностью исче-
зают, если его содержать в течение нескольких дней в условиях постоянной
темноты или непрерывного освещения. Мне кажется, что этот класс чисто
ориентационных ритмов заслуживает более внимательного изучения, так
как в центральной нервной системе, по-видимому, имеют место суточные
Фиг. 9. Доля левых поворотов относительно плоскости поляризации при освещении искусственным поляризованным
светом в условиях нормального дня (Л; 3450 поворотов) и инвертированного дня (Б; 2420 поворотов).
Роль врожденных часовых систем в ориентации насекомых
623
колебания на выходе эфферентных окончаний с обеих сторон тела животного.
При ритмических изменениях ориентации эта асимметрия могла бы
компенсироваться потоком афферентных импульсов из глаза. При этом
величина компенсирующего входа определялась бы не интенсивностью
света, а локализацией каждого омматидия (или их группы) в сложном
глазу. Чтобы компенсировать изменяющийся с каждым часом дня выход,
животное должно было бы постоянно менять угол ориентации в соответст-
вии с «центральной асимметрией» и таким образом устанавливать четкий
курс ориентации. Я не могу здесь вдаваться в подробности «теории компен-
сации» менотаксической ориентации, сформулированной Жандером [30]
и мной [11]. Несомненно, искусные кибернетики сумели бы сделать для
нас чрезвычайно простого саморегулирующегося и самостабилизирующегося
электронного жука. Доводом в пользу нашей теории служит тот факт, что
световая ориентация у Geotrupes и Velia действительно не зависит от интен-
сивности [11, 17, 25]. Более того, периодичность правых и левых поворотов
проявляется у Geotrupes еще при одном способе поведения. При раздражении
запахом навоза жуки производят ненаправленные ищущие движения;
при этом существует четкий суточный ритм числа первоначальных правых
и левых поворотов [28, 31].
Таким образом, и у Velia и у Geotrupes суточными изменениями углов
ориентации по отношению к различным ориентирующим факторам управ-
ляет, очевидно, некоторый эндогенный механизм определения времени.
В обоих случаях нам еще не хватает данных, окончательно доказывающих,
что наблюдаемые ритмы являются врожденными. Но четких примеров
полностью врожденной эндогенной периодичности мало даже для более
простых способов поведения, например для двигательной активности.
Конечно, можно лишить Velia или жуков-навозников световых датчиков
времени, выдерживая их при постоянном освещении, и затем испытать их.
Но мы должны всегда помнить, что в условиях подобных ограничительных
экспериментов неспецифические нарушения такого сложного комплекса
поведения, как таксис, могут оказаться сильнее эффектов, связанных
с отсутствием специфической информации. На основании «ограничитель-
ных» опытов можно делать определенные выводы только в случае положи-
тельных результатов. Таких результатов мы пока не имеем. У нас нет дан-
ных о том, что у Velia личинки третьего или четвертого возраста, разви-
вавшиеся в условиях постоянной темноты или непрерывного освещения,
могут ритмически менять направление своего движения. Однако после
помещения их в нормальные условия чередования дня и ночи ритм появ-
ляется, причем личинки держатся в основном того же направления, что
и контрольная группа, развивавшаяся со стадии яйца в нормальных усло-
виях. Очевидно, для проявления ритма не требуется, чтобы личинки в ходе
своего развития видели солнце, голубой поляризованный свет неба или
какой-либо другой направляющий источник света, но они должны испы-
тывать чередование освещения и темноты.
НЕКОТОРЫЕ ЗАМЕЧАНИЯ О СУТОЧНОЙ ПЕРИОДИЧНОСТИ
ИЗМЕНЕНИЯ ОРИЕНТАЦИИ И ДВИГАТЕЛЬНОЙ АКТИВНОСТИ
Сравнение возможно большего числа суточных ритмов у одного живот-
ного представляет большой интерес в том отношении, что оно позволяет
установить, управляются эти ритмы одними и теми же «часами» или нет.
Ориентация и двигательная активность являются составными частями
624
Ж. Бирюков
регулируемого часами поведения, и поэтому их сравнительное изучение
дает возможность выявить некоторые существенные черты природы регу-
лирующего механизма. В настоящее время мы располагаем некоторыми
данными по этому вопросу для членистоногих и позвоночных.
Двадцатичетырехчасовой ритм двигательной активности у Velia имеет
два максимума — во время захода солнца и ранним утром; минимумы
соответственно наблюдаются в полдень и в полночь. Колебания активности
легко могут быть затянуты сдвинутым по фазе световым днем или циклами
Время суток
Фиг. 10. Суточные колебания активности (/) и ориентации
относительно направления силы тяжести (//) у Velia.
свет — темнота в пределах от СТ 4 : 4 до СТ 16 : 16, хотя при очень корот-
ких периодах влияние эндогенного 24-часового ритма оказывается доми-
нирующим [26]. Как видно из фиг. 10, нормальный 24-часовой ритм дви-
гательной активности можно, вообще говоря, совместить с ритмом ориента-
ции — гравитационной или световой,— если преобразовать двухвершинную
кривую активности в двухфазную [32]. Тогда минимумы активности, при-
ходящиеся на полдень и полночь, будут соответствовать положительному
фототаксису и отрицательному геотаксису. Но во время максимальной
активности углы ориентации тоже максимальны. Таким образом, 24-часо-
вые колебания ориентации соответствуют таким же колебаниям актив-
ности. Это свидетельство в пользу «общего основного ритма», конечно,
не вполне убедительно; но тот факт, что угол спонтанной ориентации кор-
релирует с уровнем активности, имеет, вероятно, известное значение для
дальнейших исследований механизма часов и различных видов таксиса.
Подобная же корреляция существует и у жука-навозника: в течение дня
его двигательная активность дважды достигает максимума — один раз
Фиг. 11. Суточные колебания световой ориентации (/) и активно-
сти (//) у Geotrupes.
Время суток
Фиг. 12. Суточные колебания ориентации (/) и двигательной актив-
ности (//) у Calandra granaria в условиях нормального' чередова-
ния дня и ночи.
На кривой ориентации каждая точка получена в результате наблюдений
над 80 — 100 животными; на кривой активности каждая точка соответствует
среднему значению для 7 животных.
626
Ж. Бирюков
перед полуднем и второй — на закате. Как показывает фиг. 11, доля пово-
ротов вправо при освещении голубым поляризованным светом неба возрас-
тает и уменьшается одновременно с двигательной активностью. Когда
активность низка, доля поворотов вправо тоже мала. Когда активность
возрастает, возрастает и относительное число особей, поворачивающих
направо. Другим примером может служить амбарный долгоносик Calandra
granaria. Ориентируясь в параллельном пучке света, долгоносик проявляет
в основном отрицательный фототаксис. Однако доля животных, попадающих
в «отрицательный сектор» в пределах ± 45° от направления светового
потока, колеблется явно ритмически. До полудня и около полуночи эта
доля высока, а в полдень животные отклоняются от отрицательного направ-
ления (фиг. 12). Двигательная активность Calandra и в этом случае меняется
таким образом, что минимум активности соответствует максимуму отри-
цательного фототаксиса и наоборот.
Следующий пример относится к ориентации, приобретенной в про-
цессе обучения. Ящерицу (Lacerta viridis Laur.) можно научить отыскивать
источник тепла, находящийся в определенном направлении [23]; при этом
они, как и птицы [33—36], могут ориентироваться в пространстве даже
относительно искусственного источника света. В поисках теплого места жи-
вотные быстро обучаются компенсировать «суточное движение» искусствен-
ного солнца в темной комнате; угол их ориентации определяется только
выученным направлением и временем дня. Если субъективное время живот-
ных сдвигается на 6 час назад, их ориентация вначале совершенно рас-
страивается, а затем сдвигается на 90° вправо от того направления, кото-
рому они были обучены. Адаптация к сдвинутому по фазе световому дню
занимает 4—5 дней, а при возвращении к нормальному дню она заверша-
ется всего за 2 дня. Точно такая же картина наблюдается и при установле-
нии или изменении ритма двигательной активности в тех же условиях осве-
щения. В этом случае ритмические колебания активности тоже сначала
полностью нарушаются [24]. Таким рбразом, в случае ориентации, приобре-
тенной в процессе обучения, существует точно такое же тесное соотноше-
ние между ориентацией и активностью, как и в случае врожденного ритма
этих функций у членистоногих. Можно добавить, что у Velia адаптация
к инвертированному дню возможна уже через 36 час, а ритм активности
меняет фазу через 39 час. Промежутки времени, требуемые для затягива-
ния ритмов активности и ориентации короткими световыми циклами у Velia,
тоже довольно близки.
Мы показали, что глубокий анализ спонтанных, не связанных с обу-
чением ритмов ориентации позволит, возможно, в будущем найти некото-
рые экспериментальные подходы к вопросу об изменении ориентации
в зависимости от времени дня. Исследования в этой новой области, тре-
бующей сравнительного подхода, облегчаются тем, что наследственно за-
крепленные механизмы таксиса весьма консервативны и поэтому, вероятно,
близки у многих видов. Способность менять ориентацию в зависимости
от времени суток, вероятно, либо возникает в результате обучения, связан-
ного со специальной внешней, т. е. поступающей из среды, информацией
о той или иной биологической цели, либо основана на автономной пери-
одичности, которая, по-видимому, тесно связана с двигательной активно-
стью. В обоих случаях существуют методы анализа, позволяющие отли-
чить способность к изменению ориентации со временем, приобретен-
ную в процессе обучения, от врожденной способности такого рода и
собрать данные о физиологических механизмах, лежащих в основе этих
процессов.
Роль врожденных часовых систем в ориентации насекомых
627
Л ИТЕРАТУ РА
1. В й n’n i n g Е., Die Physiologische Uhr, Berlin, Gottingen, and Heidelberg, Sprin-
ger Verlag, 1958.
2. В й n n i n g E., Physiological mechanism and biological importance of the endo-
genous diurnal periodicity in plants and animals. P. 507—540. Photoperiodism
and Related Phenomena in Plants and Animals, ed. Withrow, Washington,
A. A. A. S., 1959,
3. Pittendrigh C. S., Perspectives in the study of biological clocks. P. 239—268.
Symposium on Perspectives in Marine Biology, University of California Press,
Berkeley, 1958.
4. Pittendrigh C. S., Bruce V. G., Daily rhythms as coupled oscillator
systems and their relation to thermoperiodism and photoperiodism. P. 475—505
Photoperiodism and Related Phenomena im Plants and Animals, ed. Withrow,
Washington, A. A. A. S., 1959.
5, Von Frisch K-, Die Sonne als Kompass im Leben der Bienen, Experientia, 5,
142 (1950).
6. P a r d i L., Esperienze sull’orientamento di Talitrus saltator (Montagu). L’orienta-
mento al sole degli individui a ritmo nicti emerale invertito, durante la «loro
notte», Boll. 1st. Mus. Zool., Univ. Torino, 5, 1—39 (1954).
7, Pardi L., Pa pi F., Ricerche sull’orientamento di Talitrus saltator (Montagu)
I. L’Orientamento durante il giorno in una popolazione del litorale Tirrenico,
Zeitschr. f. vergl. Physiol., 35, 459 (1953).
8. L in d а и e r M., Dauertanze im Stock und ihre Beziehung zur Sonnenbahn, Natur-
wissenschaften, 41, 506—507л (1954).
9. Lindauer M., Sonnenorientierung der Bienen unter der Aquatorsonne und zur
Nachtzeit, Naturwissenschaften, 44, 1—6 (1957).
10. В i г и к о w G., Menotaxis im polarisierten Licht bei Geotrupes silvaticus Panz,
Naturwissensch., 40, 611 (1953).
11. В ir и к о w G., Photogeomenotaxis bei Geotrupes silvaticus Panz. und ihre zentral-
nervose Koordination, Zeitschr. f. vergl. Physiol., 36, 176 (1954).
12. Tenckhofi - Eikmanns I., Licht- und Schwereorientierung beim Mehlka-
fer Tenebrio molitor L. und bei einigen anderen Insekten, Zoologische Beitrage,
4, 307—327 (1959).
13. V о w 1 e s D. M., The orientation of ants. I. The substitution of stimuli, J. Exp.
Biol., 31, 341—355 (1954).
14 Brown F. A., Webb H. M., The temperature relations of an endogenous
daily rhythmicity in the fiddler crab, Uca. Physiol., Zool., 21, 371—381
(1948).
15. В г и с e V. G., Pittendrigh C. S., Endogenous rhythms in insects and
microorganisms, Am. Naturalist, 91, 179—195 (1956),
16. Bruce V. G., Pittendrigh C. S., Temperature independence in aunicellular
«clock», Proc. Natl. Acad. Sci. U. S., 42, 676—682 (1956).
17. Birukow G., Lichtkompassorientierung beim Wasserlaufer Velia currens F.
am Tage und zur Nachzeit. I. Herbst- und Winterversuche, Zeitschr. f. Tierp-
sych., 13, 463—484 (1957).
18. В i г и к о w G., В и s c h E., Lichtkompassorientierung beim Wasserlaufer Velia
currens F. am Tage und zur Nachtzeit. 41. Orientierungsrhythmik] in verschie-
denen Lichtbedingungen Zeitschr. f. Tierpsych., 14, 184—203 (1957).
19. Pardi L., L’Orientamento a luce artificial di Phaleria provincialis Fauv. (Cole-
optera — Tenebrionidae) nel corso dell’ intero ciclo delle 24 ore, Atti Acc, Sc.
Torino, 92, 1—8 (1958).
628
Ж- Бирюков
20. Т о п g i о г g i Р., Effects of the reversal of the rhythm of nychtimeral illumina-
tion on astronomical orientation and diurnal activity in Arctosa variana C. LM
Koch (Araneae—Lycosidae), Arch. Ital. Biol., 97, 251—265 (1959).
21. Hasler A. D., H о r r a 1 1 R. M., W i s b у W. J., Braemer W., Sun orien-
tation and homing in fishes, Limnology and Oceanography, 3, 353—361 (1958).
22. H о f f m а и n K-, Die Richtungsorientierung von Staren unter der Mitternachts-
sonne, Zeitschr. f. vergl. Physiol., 41, 471—480 (1959).
23. Fischer K-, В irukow G., Dressur von Smaragdeidechsen auf Kompassrich-
tungen, Naturwissenschaften, 47, 93 (1960).
24. Fischer K-, Experimentelle Untersuchungen zur Aktivitatsperiodik und Orien-
tierung von Smaragdeidechsen, Naturwissenschaften (in press), 1960.
25. E m e i s D., Untersuchungen zur Lichtkompassorientierung des Wasserlaufers
Velia currens F. Zeitschrift f. Tierpsych., 16, 129—154 (1959).
26. R e n s i n g L., Aktivitatsuntersuchungen an Velia currens F. (in press), 1960.
27. Birukow G., Ober d orf er H., Schwerkraftorientierung beim Wasserlau-
fer Velia currens F. am Tage und zur Nachtzeit, Zeitschr. f. Tierpsych., 16, 693—705
(1959).
28 Geisler M., Die Orientierungsrhythmik des Mistkafers Geotrupes silvaticus
Panz., Unpublished observations, 1960.
29. Brown F. A., Jr., Brett W. J., W e b b H. M., Fluctuations in the orienta-
tion of the mud snail, Ilyanassa obsoleta, in constant conditions, Biol. Bull.,
117, 406 (1959).
30. J a n d e r R., Die optische Richtungsorientierung der roten Waldameise (Formica
rufa), Zeitschr. f. vergl. Physiol., 40, 162—238 (1957).
31. Fraenkel G.,Gunn D. L., The Orientation of Animals, Monogr. Anim. Behav.,
Oxford, 1940.
32. Reusing L., Ober d or f er H., Birukow G., Orientierungsrhythmik
und tagesperiodische Aktivitat beim Wasserlaufer Velia currens F., Naturwissen-
schaften, 46, 91 (1959).
33. Hoffmann K-, Versuche zu der im Richtungsfinden der Vogel enthaltenen
Zeitschatzung, Zeitschr. f. Tierpsych., 11, 453—475 (1954).
34. Kramer G., Experiments on bird orientation, Ibis, 94, 265—285 (1952).
35. Kramer G., Die Sonnenorientierung der Vogel, Verhandlungen Dtsch. Zool.
Ges., 72—84 (1952).
36. К r a m e r G., Experiments on bird orientation and their interpretation, Ibis,
99, 169—227 (1957).
ОБСУЖДЕНИЕ ДОКЛАДА
Менакер. He можете ли Вы сказать нам, влияют ли СО2 и эфир
также на сдвиг фазы ритмов двигательной активности Velia?
Бирюков. Мы пока не проводили подобных опытов с двигательной
активностью. Мы собираемся начать их в ближайшем будущем.
Шмид т-К ё н и г. Я могу дополнить наблюдения проф. Бирюкова
над Velia, сообщив еще не опубликованные данные, полученные на голу-
бях. Ночью Talitrus и Velia вносят поправку на движение солнца так, как
будто оно движется против часовой стрелки. Предварительные результаты,
полученные на двух голубях, обученных летать в определенном направле-
нии при постоянных внешних условиях, показывают, что такая же кар-
тина наблюдается и для этого вида птиц.
Корбет. Д-р Бирюков показал, что в группе G. sylvaticus могут
сосуществовать два совершенно различных типа пространственной ориен-
тации по солнцу; некоторые особи все время меняют в течение дня свою
Роль врожденных часовых систем в ориентации насекомых
629
ориентацию, двигаясь утром на восток, а вечером на запад; в то же время
другие сохраняют одно и то же фиксированное направление. Хотя, как
отметил д-р Бирюков, такое поведение не имеет видимого адаптивного зна-
чения для G. sylvaticus, в некоторых случаях оно могло бы его иметь. Пред-
ставьте себе жизненный цикл, в котором в разное время были бы полезны
разные процессы — возвращение к дому и миграция в одном определенном
направлении. Например, у некоторых стрекоз большинство взрослых
особей ежедневно посещает места, где происходит спаривание, и каждый
вечер возвращается в места выплода. Однако иногда группы особей тех же
видов с интервалами в несколько генераций мигрируют и летят более суток
в одном направлении. Возможно, эти миграции вызываются переполнением
мест, в которых происходит спаривание. Но независимо от правильности
этого предположения мы встречаемся здесь с ситуацией, в которой димор-
физм спонтанной ориентации по солнцу с поправкой на время может иметь
адаптивное значение. С этой же точки зрения можно рассматривать любых
животных, которым свойственны как чувство дома, так и миграция.
Бирюков. Я вполне согласен с д-ром Корбетом в том, что диморф-
ная спонтанная ориентация может иметь адаптивное значение. Связан ли
этот способ ориентации у G. sylvaticus с особенностями биологии размно-
жения этих животных, как у хруща, мы до сих пор не знаем.
А. ХАСЛЕР, X. ШВАССМАН
Ориентация рыб по солнцу на различных
широтах
о
Роль окружающей среды в ориентации рыб при перемещениях на боль-
шие расстояния стала в последнее время предметом интенсивных иссле-
дований [1].
Рыбы могут ориентироваться непосредственно по положению солнца,
причем в течение всего дня они придерживаются нужного направления,
внося поправку на суточное движение солнца [2]. Роль солнца как ориен-
тира подтверждают эксперименты, в которых мальков ушастых окуней при-
учали плыть в определенное время суток под определенным углом к солнцу.
В течение дня угол между направлением движения мальков и направлением
на солнце (угол ориентации) изменяется таким образом, чтобы скомпенси-
ровать суточное движение солнца, т. е. углы периодически повторяются
через каждые 24 час. Восход и заход солнца служат важными датчиками
времени, регулирующими изменение угла ориентации животных в соот-
ветствии с суточным перемещением солнца в данной местности [3]. При
непрерывном освещении период изменения угла ориентации несколько
отличается от 24 час [4].
В нашей лаборатории мы изучали ориентацию рыб по солнцу в основ-
ном на различных видах семейства Centrarchidae и Cichlidae. Эти виды
обитают в небольших прудах и озерах с чистой водой и вряд ли когда-
нибудь активно используют свою способность ориентироваться по солнцу
при ограниченных перемещениях внутри небольших водоемов. Тем не менее
в результате изучения этих видов получены Данные, которые, возможно,
помогут нам понять природу ритмического изменения угла ориентации
у рыб. Опираясь на эти данные, можно будет поставить эксперименты,
которые позволят выяснить механизм, посредством которого рыбы, мигри-
рующие в океане, придерживаются определенного направления в простран-
стве. Наблюдения, показывающие, что в отсутствие солнца белые окуни,
помещенные в большой водоем, не могут определить направление к месту
икрометания [2], по-видимому, подтверждают способность рыб ориенти-
роваться по солнцу.
Бремер и Швассман [5] на основании изучения ушастых окуней и Cich-
lidae, находившихся, начиная со стадии икринки, в условиях искусствен-
ного освещения, пришли к заключению, что механизм ритмического изме-
рения угла ориентации должен быть включен в их физиологический аппа-
рат, так как эти рыбы начинали вносить поправку на суточное перемещение
солнца сразу же|после перевода их в условия естественного освещения.
Бремер [3], изучавший роль чувства времени в обсуждаемом нами явле-
Ориентация рыб по солнцу на различных широтах
631
нии, подвергал рыб, приученных плыть в определенном направлении, влия-
нию цикла искусственного освещения, не совпадающего по фазе с естествен-
ным суточным циклом в Мэдисоне. Он обнаружил, что через несколько суток
направление движения рыб изменилось, причем угол, на который изме-
нялось направление, можно было предсказать. Этот угол приблизительно
соответствовал величине сдвига фаз между естественным и искусственным
циклами освещения. Так как за сутки Земля поворачивается вокруг своей
оси на 360°, любую долю суток (в часах) можно выразить в дуговых граду-
сах. В описанных выше экспериментах рыб содержали в условиях периоди-
ческого искусственного освещения, которое было не в фазе с местным вре-
менем; другими словами, восходы и заходы солнца опережали искусствен-
ные восходы и заходы или отставали от них, что соответствовало условиям
на другой долготе. Поскольку способность рыб ориентироваться исследо-
валась в условиях естественного освещения, режим которого был сдвинут
во времени по сравнению с режимом искусственного освещения, наблюда-
лось изменение направления перемещения, что и отмечалось в сообщении
Бремера. День в данной местности частично совпадал с ночью цикла искус-
ственного освещения. В этих опытах рыбы продолжали учитывать движе-
ние солнца и ночью. Но если опыты проводили в полдень, когда солнце
стояло высоко над горизонтом, поведение рыб было таким, как будто они
не могли решить, куда им плыть — то ли в экспериментально измененном
направлении, то ли в направлении, к которому они были первоначально
приучены.
Если перемещать рыб только по широте, т. е. вдоль меридиана, то
местное время остается тем же самым; изменяются лишь две переменные
характеристики внешней среды. Одна из них — длина дня, которая по мере
перемещения с севера на юг уменьшается летом и увеличивается зимой
(на экваторе продолжительность дня равна 12 час в течение всего года),
вторая — высота солнца; при быстром перемещении из северных умерен-
ных широт к экватору высота увеличивается на 1° на каждый градус широты.
Во время долгой миграции с севера на юг рыбы достигают широты,
значения которой равно склонению солнца в данный момент времени. На
этой широте солнце в полдень пересекает зенит наблюдателя. При дальней-
шем продвижении на юг животные попадают в области, где азимут солнца
изменяется в противоположном направлении. Раньше солнце перемещалось
по небосводу по часовой стрелке, а теперь оно будет двигаться в противо-
положную сторону. Если рыбы не могут приспособиться к обратному дви-
жению солнца, то следует ожидать, что рано утром и поздно вечером они
будут ориентироваться хорошо (так как в южных широтах солнце тоже вос-
ходит на востоке и садится на западе), а в полдень будут плыть в противо-
положном направлении.
Чтобы выяснить, как механизм ориентации у рыб реагирует на резкие
изменения широты, мы начали серию специальных экспериментов. Настоя-
щее сообщение, которое носит предварительный характер, основано на
результатах наших первых экспериментов, в которых рыб, приученных
плыть в определенном направлении, перевозили на самолете из Мэдисона
(43°05' с. ш.) на экватор в Белем, Бразилия (1°27' ю. ш.), и в Монтевидео
(34°53' ю. ш.), где в условиях естественного освещения испытывали, в
какой степени у них сохранилась способность придерживаться прежнего
направления. В отличие от экспериментов с изменением долготы, которые мы
проводили в одном и том же месте, применяя сдвинутые по фазе циклы
искусственного освещения, создать условия, имитирующие изменение ши-
роты, нам не удалось. Многочисленные опыты с искусственным солнцем
632
A. X а с л e p, X. Швассман
показали, что у тренированных рыб при длительном повторении опытов
в условиях электрического освещения ритмические изменения угла ориен-
тации нарушаются. Поэтому мы и решили перевезти наших рыб в Юж-
ную Америку.
Мы хотелидюлучить ответ на следующие вопросы.
1. Как изменение направления движения солнца (движущегося по
небосводу в северном полушарии по часовой стрелке) на обратное влияет
на ориентацию ранее тренированных рыб по странам света? Если угол
между направлением движения рыб и азимутом солнца в Мэдисоне изме-
няется против часовой стрелки, то будет ли он изменяться таким же обра-
зом в южном полушарии, где солнце движется в противоположном напра-
влении? Если это так, то могут ли рыбы «изучить» обратное движение
солнца в новом месте?
2. Останется ли скорость изменения угла между направлением движе-
ния рыб и азимутом солнца неизменной после перемещения рыб на другую
широту, и, следовательно, возможно ли предсказать отклонение направле-
ния движения рыб по компасу? Другими словами, будут ли рыбы, которые
вносили поправку на ежедневное изменение азимута солнца в Мэдисоне,
продолжать вносить такую же поправку на другой широте, или под влия-
нием изменившейся высоты солнца механизм ориентации у рыб приспосо-
бится к новым условиям?
3. Каким образом рыбы ориентируются на экваторе во время равноден-
ствия, когда в полдень солнце проходит точно через зенит? Каково наи-
меньшее расстояние между солнцем и зенитом, при котором рыбы еще
могут использовать солнце в качестве ориентира?
4. Как рыбы, пойманные и обученные на экваторе и в южном полу-
шарии, ориентируются по солнцу на своих родных широтах?
МЕТОДЫ
ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ
Для того чтобы обеспечить объективную регистрацию направления,
в котором плывет рыба, был построен круглый резервуар, исключающий
всякие направленные воздействия во время опыта (фиг. I); в нем прово-
дили как тренировку рыб, так и сами опыты. Резервуар с водой может сво-
бодно вращаться вокруг своей оси. На его дне находится 16 маленьких
камер, расположенных по кругу и открытых наружу. Эти камеры покрыты
большим плоским диском, который мешает рыбе видеть их, если она нахо-
дится над диском. Прозрачный аквариум из пластмассы не позволяет рыбе
уйти из центральной части резервуара. Этот аквариум можно опустить
в специальное углубление с помощью рычага, находящегося под резервуа-
ром, после чего рыбы могут плыть в любом направлении. Четыре концен-
трически расположенных перископа позволяют наблюдать движение рыб.
ТРЕНИРОВКА РЫБ
Вертикальный металлический обруч закрывает изнутри все камеры,
кроме одной. Рыб помещают в центральный аквариум и затем выпускают.
В подавляющем большинстве рыбы стремятся уйти от яркого света и обычно
им удается найти открытую камеру, куда они прячутся. Для некоторых
видов необходимо более сильное воздействие — удар электрическим током,
Ориентация рыб по солнцу на различных широтах
633
чтобы они разыскали открытую камеру и остались в ней. Если рыба вошла
в камеру, ее вознаграждают тем, что не беспокоят в течение минуты. Попыт-
ки «сбиться с пути» наказываются ударом электрического тока. Обычно
тренировка продолжается 10 мин и повторяется в одно и то же время суток
каждый день в течение нескольких недель. Вскоре рыбы привыкают сопо-
ставлять направление на открытую камеру с направлением на солнце
Фиг. 1. Вращающийся резервуар для тренировки рыб и опытов
с ними.
Все шестнадцать отделений во время опытов открыты. 1 — перископы для ко-
свенного наблюдения; 2 — освобождающий механизм для опускания пласт-
массового аквариума, находящегося в центре.
и после освобождения из центрального аквариума плывут с разной сте-
пенью точности прямо в эту камеру. В течение всего тренировочного периода
открытая камера находится в одном и том же направлении по компасу.
Эту тренировку можно проводить и внутри помещения, пользуясь све-
том электрической лампы. В этом случае важно, чтобы время суток и угол
между направлением на открытую камеру и на источник освещения оста-
вались одними и теми же.
МЕТОДИКА ОПЫТОВ
При проведении опытов все 16 камер открыты. Одну из камер напра-
вляют на север. Рыбу помещают в центральный аквариум, который опус-
кают через 5 сек. Два наблюдателя отмечают, когда и где рыба проплывает
над краем диска (обычно она входит в камеру, расположенную непосред-
ственно под этим местом). С каждой рыбой проводится пять последователь-
ных испытаний. После каждого испытания резервуар поворачивают, чтобы
исключить вероятность того, что рыба ориентируется по каким-то ориен-
тирам на самой установке [6].
ВИДЫ РЫБ
Ушастых окуней (Lepomis cyanellus Rafinesque) и рыб из семейства
Cichlidae (Ае guldens portalpgrensis Hensel) приучали в Мэдисоне к пере-
мещению в разных направлениях в условиях естественного освещения.
634
A. X ас л ер, X. Швассман
Ушастые окуни в возрасте около 4 месяцев были пойманы в прудах в начале
августа. Cichlidae содержали в закрытом водоеме со стадии икринок (март)
до начала-тренировок (июнь). Начиная с июня, всех рыб содержали на
открытом воздухе в металлическом резервуаре с проточной озерной водой,
т. е. они находились в условиях солнечного освещения на широте Мэдисона
в период, когда длина дня медленно уменьшалась.
Эксперименты в Монтевидео были проведены на другой рыбе из семей-
ства Cichlidae—Cichlasoma facetum Jenyns, а эксперименты в Белеме —
на Cichlasoma severum Heckel и C. sp.
Эти южноамериканские рыбы в возрасте от 5 до 12 месяцев были выло-
влены в местных прудах.
ПЕРЕВОЗКА РЫБ
Рыб перевозили в небольших полиэтиленовых мешочках, позволяющих
насыщать воду кислородом. Во избежание больших перепадов в давлении
воздуха их везли в пассажирских кабинах транспортных самолетов.
Непредусмотренные заранее затруднения возникли в связи с большими коле-
баниями температуры. Хотя в это время года в Мэдисоне и Белеме темпе-
ратура почти одинакова, днем при посадке самолета температура была очень
высокая, а во время ночного полета сравнительно сильно падала. Из-за
этого несколько рыб погибло. С аналогичными трудностями мы встретились,
когда при приближении к Монтевидео температура упала до 16°, тогда
как в Белеме рыбы находились при температуре 28°.
ПРИСПОСОБЛЕНИЕ РЫБ К РАЗНИЦЕ ВО ВРЕМЕНИ
Три места, в которых мы проводили опыты, находятся на разных долго-
тах, и между ними существует разница в местном времени. При переезде
из Мэдисона (89°22' з. д.) в Белем (48°30' з. д.) прибавляется 2 час 43 мин
(это означает, что указанная разница должна быть добавлена к местному
времени Мэдисона, чтобы получить местное время Белема). При переезде
из Белема в Монтевидео (56°09' з. д.) отнимается 31 мин. После отъезда
из Мэдисона (9/1X) рыб приучали к световому режиму Белема, применяя
искусственное освещение, при котором длительность светового периода
была равна интервалу времени между восходом и заходом солнца в Белеме.
Во время опытов в Белеме рыбы находились в-тени в 15-литровом металли-
ческом резервуаре. В этих условиях они видели часть неба, но на
них никогда не попадал прямой солнечный свет. В Монтевидео из-за
низкой наружной температуры рыб держали в стеклянном аквариуме,
помещенном возле окна. Во всех опытах тщательно следили за тем, чтобы
ночью на рыб не попадал свет от искусственных источников осве-
щения.
Как указывалось во введении, на ориентацию рыб при перемещениях
по широте влияют изменение длины дня и разница в высоте солнца в соответ-
ствующее время суток. Швассман и Бремер [7] показали, что изменение
продолжительности дня в течение года постоянно влияет на ритм изме-
нения угла ориентации у рыб, приспосабливая его к сезонным изменениям
движения солнца. Подобный же фактор может действовать и при переме-
щении животных на большие расстояния с севера на юг. Чтобы упростить
задачу, мы исключаем влияние продолжительности дня, проводя наши
эксперименты во время осеннего равноденствия, когда продолжительность
дня одинакова на разных широтах. Расписание опытов было следующим:
Ориентация рыб по солнцу на различных широтах
635
тренировка в Мэдисоне — июль — август 1959 г.; опыты в Мэдисоне —
первая неделя сентября, в Белеме—12—17 сентября, [в Монтевидео —
18—25 сентября, в Белеме — 26 сентября — 8 октября.
РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТОВ
I. ОРИЕНТАЦИЯ РЫБ ПО СОЛНЦУ В УСЛОВИЯХ, КОГДА ТРЕНИРОВКА
И ОПЫТЫ ПРОВОДЯТСЯ НА ОДНОЙ ШИРОТЕ
Мэдисон (43°05' с. ш.)
Рыб приучали к определенным направлениям в течение нескольких
дней. Тренировка длилась ежедневно 10 мин в одно и то же время суток.
При проведении опытов с этими рыбами в разное время суток было обна-
ружено, что они учитывали движение солнца, т. е. направление их движе-
ния, измеряемое по компасу, оставалось постоянным (фиг. 2). В Мэдисоне
суточное движение солнца происходит по часовой стрелке, а угол между
направлением движения рыб и направлением на солнце изменяется против
часовой стрелки.
Монтевидео (34°53' ю. ш.)
Из-за плохой погоды во время недельного пребывания в Монтевидео
были обучены только две рыбы. Результаты опытов с этими рыбами,
16О°-
120°-
0°-
=з 40°.
120°-
8 час. 10 час.
14-час. 16 час. 18 час.
Местное время
Фиг. 2. Результаты опытов с тренированными рыбами в Мэдисоне (43°05' с. ш.).
ушастый окунь Lepomis macrochirus, X ушастый окунь Lepomls cyanellus, V. • три эк-
земпляра Cichlidae; светлые кружки —отметки, полученные при свете электрической лампы. Время
тренировки отмечено стрелками. Сплошная кривая, пересекающая график наискось, изображает
изменение азимута солнца 7/IX 1959 г. Если рыба при своем перемещении сохраняет одно и то же
направление относительно стран света, то ее угол ориентации относительно солнца должен изме-
няться в соответствии с этой кривой.
160
8 час. Ючас. 12 час. /4 час. 16 час. 18 час.
Местное время
Фиг. 3. Результаты, полученные в опытах с двумя Cichlasoma facetum после
тренировки в течение 3 дней в Монтевидео (34°53' ю. ш.).
1 и 2 — результаты, полученные в Монтевидео; а тл. б — результаты, полученные в Белеме.
Сплошная кривая изображает изменение азимута солнца 23/IX в Монтевидео,
пунктирная —то же для Белема, 28/IX.
Фиг. 4. Результаты, полученные на Cichlid ае из Белема (вид не определяли)
в начале октября в Белеме (1°27' ю. ш.).
1 — результаты, полученные во время тренировки, остальные цифры соответствуют
отдельным опытам. Сплошная кривая —изменение азимута солнца во время опытов (6/1X),
пунктирная —то же для 19/IX.
Ориентация рыб по солнцу на различных широтах 637
полученные утром и после полудня, показаны на фиг. 3, 1 и 2. Обе рыбы
учитывали движение солнца против часовой стрелки, изменяя направление
своего перемещения по часовой стрелке.
Белем (1°27' ю. ш.)
Тренировку рыб в Белеме приходилось проводить в те часы, когда
солнце было относительно низко над горизонтом и вода в резервуаре не
становилась слишком теплой. В полдень и во второй половине дня воду
охлаждали льдом. Оказалось, что из трех ранее тренированных Cichlidae
хорошо ориентируется лишь одна; две другие ориентировались значительно
хуже и перемещались под одинаковым углом к солнцу в течение всего дня.
Результаты, полученные в опытах с первой рыбой, показаны на фиг. 4.
В полдень опыты не проводились, так как последние три дня небо в это
время было закрыто облаками. Анализ результатов показал, что без полу-
денных опытов невозможно определить, изменяют ли рыбы направление
по отношению ксолнцу «правильно», т. е. по часовой стрелке, или в обрат-
ном направлении.
II. ОРИЕНТАЦИЯ РЫБ ПО СОЛНЦУ ПОСЛЕ ПЕРЕМЕЩЕНИЯ
НА ДРУГИЕ ШИРОТЫ
Перемещение ушастых окуней из Мэдисона (43°05' с. ш.)
в Белем (1°27' ю. ш.)
За 4—6 недель несколько ушастых окуней приучили в Мэдисоне плыть
в определенном направлении, причем в последнюю неделю перед переездом
их тренировали в разное время суток. В течение всего периода обуче-
ния рыб содержали в открытом аквариуме. За два дня до переезда
в Белем утром и после полудня проверили, насколько хорошо обучены
Местное время
Фиг. 5. Поведение ушастых окуней после перемещения из Мэдисона в Белем.
а и б — опыты в Мэдисоне; 1—9 опыты в Белеме. Сплошная линия — изменение азимута
солнца в Белеме, пунктирная —то же для Мэдисона.
638
A. X а с л e p, X. Швассман
В Белеме рано утром, когда солнце было низко над горизонтом, про-
вели опыт с тремя рыбами из этой группы. Одна из них придерживалась
весьма точно того направления, к которому была приучена; этот экземпляр
изучали очень внимательно в течение всего пребывания в Белеме. Рыба
сохраняла ориентацию в течение 5 дней (фиг. 5). Когда опыты в* Белеме
были рассмотрены в правильной последовательности, оказалось, что эта
рыба, во всяком случае до полудня, вносила поправку на движение солнца,
как и в Мэдисоне. На основании ряда опытов — 1, 2, 3, 5, 6 невозможно,
Ф и г« 6. Ориентация ушастых окуней из Мэдисона относительно стран света
в Мэдисоне, Белеме и Монтевидео.
Показан видимый путь солнца по небу и положение солнца во время опытов. Внутри окруж-
ностей показан средний угол между направлением перемещения и азимутом солнца в каждом от-
дельном опыте (на двух нижних диаграммах отметки, сильно отличающиеся от основной массы
отметок, при вычислении среднего не учитывались).
7 — была построена пунктирная кривая, совпадающая с кривой движения
солнца в Мэдисоне. Результаты опытов, проведенных в полдень, по-види-
мому, не имеют существенного значения. Опыты, проведенные на следую-
щее утро после полуденного опыта, показали, что угол ориентации меняется
против часовой стрелки по отношению к положению солнца.
Чтобы показать, как у рыб, приспособившихся к движению солнца
на северных широтах, меняется направление движения относительно стран
света при перевозке на экватор, на фиг. 6 сравниваются направления пере-
мещения рыб в Мэдисоне и результаты утренних опытов в Белеме. Для
каждого опыта показан азимут солнца и угловое расстояние солнца от
зенита после преломления света на поверхности воды. Когда утром солнце
поднимается над горизонтом (0°), его высота для животных, находящихся
в воде, равна 41,5°. Это означает, что поле зрения рыб под водой сужается
от 180 до 97°. Этот эффект называется «окном» рыб.
Ориентация рыб по солнцу на различных широтах
639
Из фиг. 6 видно, что с раннего утра до полудня рыбы перемещаются
так, что отклонение их вправо (для рыбы — влево) от направления на
солнце уменьшается. На экваторе это приводит к тому, что рыбы откло-
няются от выученного направления против часовой стрелки.
Перемещение ушастых окуней из Мэдисона (43°05' с. ш.)
в Монтевидео (34°53' ю. ш.)
При проведении опытов в последний день пребывания в Белеме оказа-
лось, что ушастый окунь а потерял ориентацию. Утром 19/IX в Монтеви-
део эта рыба перемещалась примерно в том же направлении по отношению
к солнцу, что и в Мэдисоне (фиг. 7, а). Однако из результатов послеполуден-
ного эксперимента следует, что дальнейшего изменения угла ориентации,
по-видимому, не происходит (фиг. 7, б). Такой же случай был обнаружен
в последние дни опыта на экваторе. 20/ТХ, в интервале между 9 и 9 час.
20 мин. утра, повторили тренировку, и в последующие дни направление
движения рыбы по отношению к солнцу изменялось против часовой стрелки,
что соответствовало движению солнца в северном полушарии (фиг. 7, 1 — 4).
В интервале между опытами 3 и 4 рыбу помещали в открытый стеклянный
аквариум на 2 суток, чтобы установить, может ли движение солнца против
часовой стрелки изменить ее поведение. Очень облачная погода затруднила
проведение эксперимента, и мы смогли провести только один дополнитель-
ный опыт. Результат этого опыта (4) совпадает с результатом опыта 1.
На основании одного или нескольких результатов опытов 1—3 (фиг. 7)
можно предположить, что в какой-то степени сохраняется постоянный
угол ориентации.
Из фиг. 6 (нижние схемы) видно, в каких направлениях перемещался
этот ушастый окунь. Как и в предыдущую неделю в Белеме, азимут солнца
изменяется против часовой стрелки. Так как угол ориентации рыбы по
солнцу тоже изменяется против часовой стрелки, направление переме-
щения рыбы описывает в течение 24 час угол, равный 720°.
Перемещение Cichlidae из Мэдисона (43°05' с. ш.)
в Белем (1°27' ю. ш.)
1. Cichlidae в возрасте 7 месяцев содержали в открытом водоеме в Мэди-
соне начиная с июня 1959 г. В конце июля рыб начали приучать плыть
в определенных направлениях.
В течение первой недели сентября их тренировали в разное время
суток. Десять рыб из этой группы перевезли в Белем, и первый же опыт
показал, что их поведение в сильной степени отличается от поведения уша-
стых окуней. В большинстве опытов они в основном придерживались двух,
обычно противоположных, направлений. Результаты опытов с двумя
рыбами, у которых такой тип ориентации был выражен наиболее четко,
показаны на фиг. 8. Опыты а и б свидетельствуют о том, что в условиях
Мэдисона эти рыбы ориентировались очень хорошо. В Белеме же, особенно
по утрам, они плывут с равной вероятностью в одном из двух направлений,
образующих равные углы с направлением на солнце. Только в опытах 5
и 7 для одной рыбы и в опыте 5 для второй наблюдалось сохранение одного
и того же направления.
2. В отличие от группы рыб Cichlidae, которые долго находились
в условиях Мэдисона, двух рыб из той же стаи тренировали другим спо-
собом. Бремер и Швассман [5] показали, что молодые Cichlidae, выращен-
ные в условиях искусственного освещения, очевидно, обучаются тому,
160
Фиг. 7. Результаты, полученные на ушастых окунях в Мэдисоне после вторичной
тренировки в Монтевидео.
а и б — результаты опытов перед вторичной тренировкой, 1—4 — после короткой трениров-
ки. Сплошная кривая — изменение азимута солнца в Монтевидео, пунктирная — то же в
Мэдисоне.
Фиг. 8. Результаты, полученные на Cichlidae, тренированных в Мэдисоне, после
перемещения в Белем.
а и б — опыты в Мэдисоне. Номерами обозначены опыты в Белеме. Сплошная кривая —
изменение азимута солнца в Белеме, пунктирная — то же в Мэдисоне.
Ориентация рыб по солнцу на различных широтах
641
в каком направлении движется солнце на данной широте. Во время трени-
ровки Cichlidae мы заметили, что процесс такого обучения замедлялся,
если рыб, хотя и находившихся на солнце в открытом водоеме, тренировали
только раз в день. Если же рыб приучали к одному и тому же направлению
несколько раз в день, процесс обучения ускорялся. Это дало нам основа-
ние попытаться заранее приучить рыб к условиям экватора.
Фиг. 9. Результаты, полученные на Cichlidae, приученных в Мэдисоне к экватори-
альным условиям.
1 и 2 — опыты в Мэдисоне, проведенные во время совпадения высоты солнца в Мэдисоне и на
экваторе, 3—8 — опыты в Белеме. Сплошная кривая — изменение азимута солнца в Белеме,
пунктирная — то же в Мэдисоне.
В августе и начале сентября день на нашей широте немного умень-
шается, но все же длина его больше, чем на экваторе или в Белеме, где
он равен примерно 12 час в течение всего года. Если сравнить два видимых
пути солнца по небу, построив графики изменения высоты солнца в зависи-
мости от времени суток, то оказывается, что в двух точках — утром и после
полудня — высота солнца на двух разных широтах одинакова. Моменты
времени, соответствующие этим двум точкам, медленно приближаются
к моментам времени восхода и заката солнца и совпадают с ними при равно-
денствии. На основании мореходных таблиц были рассчитаны средние зна-
чения указанных моментов времени для каждой недели, и упомянутых
выше двух рыб тренировали в эти часы дня. В утренние часы их приучали
плыть на 90° левее направления на солнце в Мэдисоне, а во второй поло-
вине дня — на 90° правее. Для Белема это было направление точно на
север. В наших широтах эти направления соответствовали приблизительно
северо-северо-востоку утром и северо-северо-западу после полудня.
За исключением этих коротких периодов тренировки, все остальное
время рыб содержали в условиях искусственного светового цикла 12 час
свет — 12 час темнота начиная с момента выходя мальков из икры в-янва-
ре 1959 г.
Данные по поведению этих рыб во время тренировок в Мэдисоне и опы-
тов в Белеме показаны па фиг. 9, из которой видно, что эти животные
642
A. X ас ле p, X. Швассман
довольно хорошо сохраняют направление движения, если опыты проводятся
примерно в то же время суток, что и тренировки в Мэдисоне. Этот результат
полностью противоположен тому, который был получен в опыте, описан-
ном в п. 1. В полдень опыты ставили лишь с одной рыбой; результаты пока-
зали, что у этой рыбы угол ориентации меняется по часовой стрелке (фиг. 9,6).
Поведение Cichlidae, выращенных и тренированных в Монтевидео
(34°53' ю. ш.), после перемещения в Белем (1°27/ ю. ш.)
С 26 по 29 сентября в Белеме, когда солнце в полдень проходило через
зенит, проводили опыты с двумя Cichlasoma facetum, которых предвари-
тельно очень недолго тренировали в Монтевидео (см. фиг. 3, опыты а и б).
Их поведение похоже на поведение Cichlidae в группе 1 (см. фиг. 8), т. е.
они движутся по двум основным направлениям. С этими двумя экземпля-
рами проводили опыты в течение всего того времени, когда солнце в пол-
день проходило через зенит, но результаты их невозможно представить
в виде такого же графика, так как в это время нельзя определить азимут
солнца. Эти результаты обсуждаются в разд. III (см. фиг. 11).
Поведение Cichlidae, тренированных в Мэдисоне, через неделю
после перемещения на экватор
Во время наших экспериментов в Монтевидео Cichlidae, утратившие
на экваторе способность ориентироваться, были оставлены в большом бетон-
ном водоеме в Белеме. Большую часть дня этот водоем освещался солнцем
и лишь частично был затенен нависающими ветвями деревьев. По возвра-
щении в Белем с 27 по 29 сентября мы начали вновь тренировать четырех
рыб из этой группы по 30 мин ежедневно. Три рыбы не поддались тренировке
Светлые кружки — первый опыт сразу после тренировки. Сплошная линия]— изменение
азимута солнца во время опытов, пунктирная — за неделю до опытов.
Ориентация рыб по солнцу на различных широтах
643
и продолжали давать случайные результаты. Результаты опытов с чет-
вертой рыбой приведены на фиг. 10. Они показывают, что во второй поло-
вине дня эта рыба ориентировалась довольно хорошо. Результаты утрен-
них опытов тоже, по-видимому, заслуживают определенного доверия,,
особенно если их сравнить с результатами, полученными около полудня:
эти последние распределены явно случайно вследствие очень небольшого»
угла между солнцем и зенитом.
III. ОРИЕНТАЦИЯ РЫБ ПО СОЛНЦУ, НАХОДЯЩЕМУСЯ БЛИЗКО К ЗЕНИТУ
С несколькими рыбами мы провели опыты на экваторе около полудня
и нашли, что результаты отдельных опытов сильно отличаются один от дру-
гого. В опытах 5 и 6 (см. фиг. 10), проведенных при высоте солнца 83—88е
(все высоты пересчитаны с учетом преломления на поверхности воздух —
вода), результаты распределены явно случайно. Эти опыты проводились
с теми экземплярами Cichlidae, которых вторично тренировали в Белеме.
А Б
Фиг. 11. Явно случайное распределение результатов при про-
ведении опытов в то время, когда солнце проходит через зенит.
А — угол между солнцем и зенитом равен 0—3°; Б — угол равен 3—6°.
Такое же случайное распределение было найдено в опытах с двумя Cichli-
dae из Монтевидео при высоте солнца 84—90° (фиг. 11). В этих опытах,
проведенных 28 и 29/IX, как раз в то время, когда солнце проходит через
зенит, мы не могли определять азимут, так как измеряли время с точно-
стью до 1—2 мин, а ошибка в 1 мин приводила к ошибке в азимуте на 180°.
Хорошо ориентировалась при высоте солнца 85° одна из Cichlidae
в Белеме (опыты 4 и 7 на фиг. 4). Одна из двух рыб из Мэдисона, с кото-
рыми проводили опыты на экваторе, также хорошо ориентировалась при
высоте солнца 84° (см. фиг. 9). Ушастые окуни, по-видимому, хорошо ориен-
тируются при больших высотах солнца над горизонтом (80° в опыте 6 на
фиг. 5); так же вели себя Cichlidae во время опытов в Мэдисоне (81° в опы-
те 5 на фиг. 8). Вместе с тем в некоторых опытах, когда солнце стояло ниже,
эти рыбы ориентировались плохо. Возможно, что в этом случае дезориен-
тация рыб зависела не от высоты солнца, а от каких-либо других факторов.
Обычно в полдень наблюдались разбросанные по всему небу кучевые
облака. Чтобы исключить возможность ориентации по рисунку облаков,
каждое последующее измерение проводили только тогда, когда располо-
жение облаков изменялось.
644
A. X ас лер, X. Швассман
ОБСУЖДЕНИЕ результатов
Наше исследование, касающееся влияния перемещения рыб по широте
на их способность ориентироваться по солнцу, еще не закончено, и поэтому
мы можем сделать лишь предварительные выводы.
Простое на первый взгляд явление ориентации рыб по солнцу оказы-
вается на самом деле весьма сложным и до сих пор мало понятным. Если
рыб ежедневно в течение короткого тренировочного периода приучать
плыть под определенным углом к солнцу, то после этого они, как показы-
вают опыты, проведенные в той же географической области в разное время
суток, перемещаются в одном и том же направлении (см. фиг. 2). Это отно-
сится к рыбам, находящимся не только в северном полушарии, но также
и в южном умеренном поясе и в тропиках (см. фиг. 3, 4). Кривая изменения
угла между направлением движения рыбы и мгновенным азимутом солнца
в зависимости от времени суток повторяет кривую изменения азимута,
но в обратном направлении. Употребление такого искусственного понятия,
как азимут солнца, в данном случае оправдано, так как движение живот-
ных происходит в горизонтальной плоскости и направление перемещения
регистрируется по компасу.
Гофман [8], Бирюков [9], а также Бирюков и Буш [10] показали, что
изменение высоты солнца в естественных условиях или изменение высоты
искусственного солнца в экспериментальных условиях не влияет на ориен-
тацию птиц и членистоногих. На основании этих наблюдений было выска-
зано предположение, что эти животные ориентируются не по действитель-
ному положению солнца, а по его азимуту [11]. С помощью очень точного
чувства времени животные определяют угол ориентации (левый или пра-
вый) по отношению к азимуту солнца. В течение дня они меняют этот угол
таким образом, чтобы скомпенсировать изменение азимута по отношению
к тому направлению, в котором они должны двигаться.
Некоторые наши результаты подтверждают предположение об ориен-
тации животных по азимуту солнца. На экваторе в первую половину дня
ушастые окуни вносят ту же поправку на перемещение солнца, что и в Мэди-
соне. То же наблюдается после вторичной тренировки в южном полушарии
(см. фиг. 5 и 7).
При перемещении на другую широту направление движения рыб
относительно стран света изменяется на угол, равный разности между
азимутами солнца на первоначальной и новой широтах (см. фиг. 6). Однако
наблюдаемые на экваторе хорошая ориентация рыб утром, дезориентация
их после полудня в тот же день и затем повторение хорошей ориентации
на следующее утро противоречат гипотезе, по которой рыбы ориентируются
просто по азимуту (см. фиг. 5).
Совершенно иначе ведут себя Cichlidae, приученные к движению солнца
в Мэдисоне. У них обычно наблюдается дезориентация, причины которой
необходимо было найти. Оказалось, что два экземпляра Cichlidae из той
же стаи, которых тренировали в Мэдисоне в течение очень коротких перио-
дов и которые не имели возможности увидеть весь путь солнца по небу,
вполне хорошо ориентировались на экваторе (см. фиг. 9). Маловероятно,
чтобы дезориентация была вызвана только недостаточно осторожным обра-
щением и колебаниями температуры во время транспортировки рыб. Устой-
чивое распределение результатов между двумя разными направлениями
в одно и то же время суток можно объяснить стремлением рыб сохранить
постоянный угол с азимутом солнца. Если бы рыба в каждый момент вре-
мени ориентировалась только одним глазом, то в это время года на эква-
Ориентация рыб по солнцу на различных широтах
645
торе животные придерживались бы правильного направления относительно
стран света. Если рыбу приучают двигаться к северу или к югу, как было
в наших опытах с Cichlidae, то рыба должна начать попеременно ориенти-
роваться то одним, то другим глазом. Как показывают результаты наших
опытов с Cichlidae из Белема (см. фиг. 4), выросшие на экваторе рыбы вла-
деют таким способом ориентации.
Некоторые рыбы, которых мы наблюдали, хорошо ориентировались
в те дни, когда солнце в полдень проходило через зенит, и дезориентирова-
лись около полудня, когда угол между солнцем и зенитом был меньше 6°.
Для рыб (с учетом «окна») он равен 5°. Рыбы, тренированные на высоких
широтах, в опытах на экваторе дезориентируются не только в то время,
когда солнце стоит высоко над горизонтом; следовательно, дезориентация
•обусловлена не высотой солнца, а другими причинами. Возникает вопрос,
какие факторы окружающей среды ответственны за дезориентацию.
Перемещения рыб, повторные эксперименты, особенно в совершенно
новых местах, содержание рыб в условиях, несколько отличающихся от
обычных (например, другой контейнер, другая температура и интенсивность
света), несомненно, ослабляют эффект тренировки. В разных местах и раз-
ных резервуарах были проведены контрольные опыты с четырьмя ушастыми
окунями Lepomis macrochirtis. После транспортировки рыбы находились
в условиях искусственного периодического освещения, интенсивность кото-
рого составляла всего лишь 5% от интенсивности обычного дневного света.
Опыты показали, что способность к ориентации сохраняется в течение
7 дней (15 опытов с каждой рыбой).
Во время экспериментов длина ежедневного светового периода остава-
лась постоянной. За исключением времени опытов, рыбы не могли наблю-
дать движение солнца. Во время опытов на экваторе высота солнца, осо-
бенно в середине дня, всегда была больше, чем при тренировках. В экспе-
риментах с рыбами, у которых ритм изменения угла ориентации был сдви-
нут по фазе [3], мы видели, что «неправильная» высота в какой-то степени
допустима. Солнце в полдень, не совпадающий с субъективным полуднем
рыб, оказывает явно выраженное влияние на ориентацию животных. Но
в наших опытах дезориентация, или одновременное движение Cichlidae
по двум направлениям, происходила в то время суток, когда солнце стояло
низко над горизонтом.
Во время первых тренировок в Мэдисоне мы часто наблюдали эту
«привычку» рыб перемещаться по двум направлениям, образующим равные
углы с направлением на солнце. Бремер и Швассман [5] указывают, что
такое поведение характерно для молодых Cichlidae, которых начиная со
стадии икринки выращивали без дневного света. Очевидно, что этим рыбам
приходится «изучать» направление движения солнца в данной местности.
Поэтому мы полагаем, что механизм ориентации по солнцу у молодых
Cichlidae в значительной мере нестабилен в отношении того, в каком напра-
влении изменяется угол ориентации относительно солнца. Транспортировка
тренированных рыб и большая высота солнца над горизонтом у экватора
могут привести к тому, что снова появится тенденция к перемещению по
двум направлениям. Возможно, что это начальная фаза процесса вторич-
ной адаптации к иному движению солнца на экваторе. Значительное повы-
шение точности ориентации у одной рыбы из этой группы после вторичной
тренировки свидетельствует в пользу существования адаптации (см. фиг. 10).
Однако этот процесс должен быть очень медленным, и поэтому первоначально
выработанная ориентация может исчезнуть прежде, чем рыбы приспособят-
ся к движению солнца на экваторе.
646
A. X а с л e p, X. Швассман
У рыб, живущих в тропиках, направление компенсации движения
солнца меняется в течение года на обратное. На основании наших экспери-
ментов и опытов с необученными рыбами можно предположить, что Cichli-
dae обладают такой способностью, тогда как у ушастых окуней «левосто-
ронность» процесса изменения угла ориентации наследственно закреп-
лена [5].
Применяя полученные экспериментальные данные к естественным миг-
рациям рыб в океане, мы должны помнить, что скорость этих миграций
относительно невелика. Непрерывно действующее на рыб медленное изме-
нение видимого пути солнца ото дня ко дню может постепенно приспособить
механизм ориентации рыб к новым условиям. Аналогичные принципы лежат
в основе приспособления рыб к сезонным изменениям видимого движения
солнца, обусловленным изменением склонения солнца в течение года. Этот
процесс, особенно на высоких широтах, связан с соответствующими изме-
нениями длины дня. Причинная связь между длительностью светового
периода и сезонными изменениями «угловой скорости» ритмических изме-
нений угла ориентации была доказана экспериментально [7]. Опыт пока-
зал, что рыбы хорошо приспосабливаются к небольшим сдвигам времени
года и очень медленно — к быстрым изменениям.
Основной целью наших первых экспериментов было получение данных
о функциональной основе ритмической ориентации по солнцу. Поэтому мы
исключили большую часть факторов, с помощью которых рыбы могли бы
легко приспосабливаться к резко изменившейся обстановке. Дальнейшие
эксперименты покажут, при каких условиях рыбы приспосабливаются
к движению солнца на различных широтах и каким образом они меняют
направление изменения угла ориентации на обратное.
РЕЗЮМЕ
Ушастые окуни и рыбы из семейства Cichlidae были приучены к опре-
деленным' направлениям перемещения относительно стран света; трени-
ровку проводили в Мэдисоне (Висконсин, северное полушарие), после чего
рыб перевезли самолетом на экватор и в южное полушарие, где проверяли,
насколько у них сохранилась способность к ориентации. В новых местах
угол ориентации одного из ушастых окуней относительно солнца изменялся
в течение дня в том же направлении, что и в северных широтах. На эква-
торе в утренние часы этот окунь ориентировался хорошо, несмотря на
значительно большую высоту солнца, чем в Мэдисоне. Однако во второй
половине дня, по всей вероятности из-за утренних опытов, рыба полностью
дезор иентир ов ал ась.
После нескольких дней опытов рыбы начинали ориентироваться хуже.
Направление перемещения ушастых окуней в условиях южного полушария
изменялось в течение суток в ту же сторону, что и азимут солнца; скорость
изменения направления была вдвое больше скорости изменения азимута
солнца. Cichlidae, приученные к движению солнца в северном полушарии,
ведут себя на экваторе так, что можно допустить существование адаптации
к новым условиям.
Рыбы экваториальных и южных акваторий хорошо ориентируются
по солнцу в этих областях, если они заранее приучены к определенному
направлению движения относительно стран света.
Наименьшее угловое расстояние между солнцем и зенитом, при кото-
ром рыбы еще могут ориентироваться по солнцу, равно примерно 5*.
Ориентация рыб по солнцу на различных широтах
647
ЛИТЕРАТУРА
1. Н a s 1 е г A. D., Homing orientation in migrating fishes, Ergebnisse der Biologie
(In press), 1960.
2. H a s 1 e r A. D., H о r r a 1 1 R. M., Wisby W. J., Braemer W., Sun-
orientation and homing in fishes, Limnology and Oceanography, 3 (4), 353—361
(1958).
3. Braemer W., Versuche zu der im Richtungsgehen der Fische enthaltenen
Zeitschatzung, Verh. Deutschen, Zool. Ges., 1959 (1960).
4. Schwassmann H. O., Environmental cues in the orientation-rhythm of fish,
Cold Spring Harbor Symp. on Quant. Biol., Vol. 25 (1960).
5. Braemer W., Schwassmann H. O., Sonnenorientierung bei sonnenlos
aufgezogenen Fischen, Zeit. vergl. Physiol. (In press), 1960.
6. H a s 1 e r A. D., Influence of environmental reference points on learned orienta-
tion in fish (Phoxinus), Zeit. vergl. Physiol., 38, 303—310 (1956).
7. Schwassmann H. O., Braemer W., Photoperiodic response in the sun-
orientation-rhythm of fish, University of Wisconsin manuscript, 1960.
8. Hoffmann K-, Versuche zu der im Richtungsfinden der Vogel enthaltenen
Zeitschatzung, Z. f. Tierpsych., 11, 454—475 (1954).
9. Birukow G., Lichtkompassorientierung beim Wasserlaufer Velia currens F.
(He teroptera am Tage und zur Nachtzeit, Z. f. Tierpsych., 13, 463—484 (1956).
10. Birukow G., Busch E., Lichtkompassorientierung beim Wasserlaufer Velia
currens F. (Heteroptera), Orientierungsrhythmik in verschiedenen Lichtbedingun-
gen, 1957.
11. Kramer G., Experiments on bird orientation and their interpretation. Ibis.,
99, 196—227 (1957).
12. Nautical Almanac, Washington, U. S. Naval Observatory, 1959.
13. Tables of Computed Altitude and Azimuth, Washington, U. S. Hydrographic Office.
Э. ДЖ. ЗАУЭР, Э. М. ЗАУЭР
Навигация по звездам у птиц,
совершающих ночные перелеты
Эксперименты в планетарии (1958 г.)
о
Изучение миграции перелетных птиц методом кольцевания позволило
установить среди прочих один очень важный факт: многие птицы ежегодно
совершают перелеты за сотни и тысячи миль по определенному маршруту,
причем районы, между которыми совершаются перелеты, и маршруты пере-
летов специфичны для разных видов и для отдельных популяций в преде-
лах одного вида. Более того, птицы, сбившиеся с пути или искусственно
удаленные от привычных путей перелета, могут снова находить дорогу
к районам, через которые проходит их миграция, и продолжать перелет
по обычному маршруту.
По аналогии с навигационной практикой людей способность птиц
совершать такие перелеты была названа навигационной способностью, при-
чем это название было дано еще до того, как были получены какие-либо
сведения о механизмах, лежащих в основе рассматриваемого типа ориен-
тации.
Остроумные идеи покойного Густава Крамера, которому посвящена
данная статья, положили начало важному экспериментальному подходу
в изучении миграционной ориентации птиц; в результате было обнару-
жено, что днем птицы ориентируются по азимуту солнца и что в этой ориен-
тации важную роль играют «внутренние часы» [1—5].
Однако многие птицы мигрируют ночью; на них мы и сосредоточили
свое внимание [6—10]. Для исследования систем ночной ориентации нами
были взяты славка черноголовая (Sylvia atr leap ilia), славка садовая (S. bo-
rin), славка-завирушка (S. curruca), славка серая (S. communis), сорокопут
(Lanius minor) и пеночка-трещотка (Phylloscopus sibilatrix).
Мы брали птиц, находящихся в состоянии миграционной активности,
и помещали их в круглую клетку, которую можно было поворачивать
вокруг вертикальной оси. Внутри клетки птицы могли свободно летать;
из клетки им был виден круглый участок неба, находящийся под углом
зрения 68°, но никаких наземных ориентиров они видеть не могли.
Опыты проводились в те периоды, когда в естественных условиях птицы
этих видов совершают перелеты, до и после выведения птенцов; наряду
с опытными птицами испытывались и молодые, ни разу не совершавшие
миграционных перелетов. В тех случаях, когда ночное небо над клетками
было чистым или почти безоблачным или было покрыто тонкой пеленой
облаков, птицы поворачивались в направлении, соответствующем напра-
влению естественной миграции, и непрерывно махали крыльями. Если,
однако, небо было почти сплошь или целиком закрыто густыми облаками,
Навигация по звездам у птиц, совершающих ночные перелеты
649
птицы теряли способность находить специфичное для своего вида напра-
вление миграции. Подобная дезориентация наблюдалась и в тех случаях,
когда эксперименты проводились в закрытом помещении, освещенном рас-
сеянным или поляризованным светом. При ясном звездном небе птицы иногда
поворачивались в другом направлении, привлеченные светом метеоров, зар-
ниц или лунным светом. Даже при отклонении луны от зенита всего на
5,5° наблюдался поворот птиц в направлении лунного азимута.
Существование такой зрительной реакции побудило нас провести
эксперименты в цейссовском планетарии с искусственным звездным небом;
эти эксперименты были выполнены с тремя видами славок в двух районах
в окрестности Бремена (Германия). Птицы сразу обнаружили способность
ориентироваться по наиболее ярким звездам; планеты, Млечный Путь
и менее яркие звезды существенного влияния на ориентацию не оказывали.
Когда искусственное звездное небо соответствовало картине неба на данной
широте в данное время суток, птицы, активно махавшие крыльями, пово-
рачивались преимущественно в одном определенном направлении, которое
было расположено относительно искусственных звезд так же, как распола-
гается направление естественной миграции относительно настоящих звезд;
расположение искусственного неба относительно истинных географических
стран света значения не имело. Мы изменяли наклон полярной оси искус-
ственного неба и имитировали таким путем переход к более южным широ-
там. В этом случае славки-завирушки вначале сохраняли юго-восточную
ориентацию, характерную для их осенней миграции; но, начиная с неко-
торой «широты», они поворачивались к югу. Примерно аналогичное влия-
ние широты наблюдалось в условиях искусственного и естественного неба
и для других видов птиц. Путем поворота искусственного неба вокруг
полярной оси можно было нарушить соответствие между картиной неба
и местным временем. Оказалось, что внутренние часы у птиц обычно нахо-
дятся в фазе с местным временем. В зависимости от того, какой участок звезд-
ного неба оказывался в поле зрения птиц, они либо совершали компенса-
ционный полет, т. е. сохраняли правильную ориентацию, внося поправку
на время, либо теряли ориентацию, либо путали направления осенней
и весенней миграции (миграционный конфликт). К концу миграции и к кон-
цу каждой отдельной ночи наименьший угол поворота неба, приводивший
к дезориентации, непрерывно уменьшался.
Следовательно, на ориентацию птиц влияют как азимут, так и высота
звезд над горизонтом. Даже ничего не зная о том, как птицы «вычисляют»
направление полета по двум внешним координатам с учетом времени, мы
можем сказать, что ориентация птиц в пространстве является в полном
смысле навигационной.
Данная статья посвящена обсуждению некоторых экспериментов,
выполненных в планетарии осенью 1958 г. Прежде всего следует сказать
о точности результатов и более подробно описать методику экспериментов;
по сравнению с ранее проведенными экспериментами мы ее несколько
изменили.
МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА И ОЖИДАЕМЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ
В основном мы пользовались тем же методом, что и раньше [9]. Напра-
вление полета оценивалось визуально с точностью ±5°. В опытах 1958 г.
мы несколько изменили конструкцию клетки (фиг. 1), уменьшив диаметр
кольцеобразного насеста с 60 до 40 см и опустив крышу из плексигласа
30
Фиг. 1. Разрез модифицированной экспериментальной клетки
(нижняя часть не показана).
] — кольцеобразный насест; 2 — пластинки из плексигласа; 3 — сеть;
4 — двойной слой черного полотна, экранирующий клетку от бокового света;
а — угол, определяющий поле зрения птицы (а = 75°).
Фиг. 2. Схема планетария, представленная в виде продольного
и поперечного разрезов.
Ось S3 отделяет плоскость вертикального разреза (соответствует широте)
от плоскости горизонтального разреза (соответствует долготе). Левая половина
соответствует прежним экспериментам, правая — экспериментам, в которых
использовалась модифицированная клетка. Для каждого случая показана по-
ловина кольца, спроектированная на ось SS. 20° (по долготе); 6j= 12°,
б2= 19°. бз= 26° (по широте); 12°; 14°, б2= 19°, 63= 22°.
Навигация по звездам у птиц, совершающих ночные перелеты
651
ближе к птице; в зависимости от размеров птиц, с которыми мы работали,
ее можно было опускать или поднимать. Это дало нам ряд преимуществ.
Угол зрения, под которым птицы видели небо, увеличился с 68 до 75°.
Более низкое положение крыши привело к тому, что даже только что пой-
манные птицы быстро приучались оставаться на кольце, ходить по нему
и махать крыльями; раньше они долгое время с него слетали. В центре
Фиг. 3. Схема осенней миграции славок-завирушек, основанная
на результатах экспериментов в планетарии [9].
Стрелки соответствуют преимущественным направлениям ориентации, опреде-
ленным с помощью кратковременных экспериментов; все эксперименты выпол-
нялись в течение первой половины ночи (вопрос о поведении птиц в течение
остальной части ночи пока остается открытым). Ширина больших стрелок
соответствует разбросу по долготе в 20° к востоку от того места, где прово-
дился эксперимент. Этот разброс переносится и к южным широтам вдоль
основных направлений миграции (158 и 180°). Разброс по долготе к западу
сознательно не указан, так как птицы всегда ориентируются в юго-восточном
направлении. Параллельные линии соответствуют некоторым возможным
маршрутам, как указано в тексте. Маленькие стрелки на широтах от 35 до 20°
северной широты указывают те районы, в которых птицы время от времени
меняют направление миграционного полета (с юго-восточного на южное).
Заштрихованная область примерно указывает известную область зимовок [12].
планетария (фиг. 2) устанавливался проектор, с помощью которого на
куполе создавалось изображение звездного неба; поэтому клетка устанавли-
валась эксцентрично. Диаметр купола планетария был по-прежнему равен
6 м. Раньше движение птицы вокруг кольца соответствовало изменению
долготы в 40° (2-ai); новая клетка позволила уменьшить это изменение до
24° (2-а'). Соответствующее изменение широты уменьшилось с 14° (63 —6t)
до 10° (д3 — 6^). Средняя высота видимого участка неба (62) осталась преж-
ней и учитывалась в ходе экспериментов.
В то время как изменение широты не вносит никаких осложнений,
изменение долготы связано с изменением местного времени; здесь, по-види-
мому, требуются дополнительные разъяснения, так как часто остается не
652
Э. Дж. Зауэр, Э. М. Зауэр
ясно, каким образом птицы приспосабливают свои внутренние часы к новой
долготе. В качестве примера можно взять славок-завирушек, которые во
время осенней миграции летят над Европой преимущественно в юго-юго-вос-
точном направлении [11]. При полете над восточной частью Средиземного
моря птицы меняют направление полета и летят точно на юг. Для того чтобы
экспериментально воспроизвести выбор миграционного направления на раз-
личных широтах, можно испробовать два способа. Во-первых, можно
синхронизировать внутренние часы птицы с местным временем на новой
долготе и затем посмотреть, как птица будет ориентироваться, если небо
поворачивать тоже соответственно местному времени нового района (кар-
тина неба должна меняться в соответствии с ходом внутренних часов птицы).
Второй подход связан с изменением картины неба в планетарии соответ-
ственно широте интересующего нас района; фаза искусственного неба,
равно как и фаза внутренних часов птицы, должна находиться в соответ-
ствии с местным временем того района, где проводится эксперимент (фак-
тически опыты можно проводить в любом месте земного шара). Таким путем
мы можем узнать, как птицы ориентируются во всех тех районах, разбро-
санных вдоль данной широты с востока на запад, где птицы одного вида
или одной популяции избирают одно и то же известное направление миг-
рации (фиг. 3).
Для видов, у которых маршрут перелета ограничен с запада и с востока
близкими границами, приемлемы только те из всех возможных параллель-
ных маршрутов, которые обеспечивают нормальные для данного вида био-
логические условия.
Коррекционные полеты в поперечном направлении, с помощью кото-
рых птицы возвращаются к привычным районам миграции, могут быть
связаны с фазовыми различиями между внешними временными ориенти-
рами и внутренними часами (у птиц может быть наследственно закреплен
порядок следования определенных ориентиров); возможно, существенное
значение имеют географические барьеры, из-за которых птицы вынуждены
изменить направление полета.
В связи с этим интересно вспомнить и сравнить ранее проведенные
эксперименты с белыми аистами и другими птицами, которые показали, что
птицы, искусственно удаленные от привычных районов перелета, либо
возвращаются к прежнему месту обитания, либо совершают параллельный
перелет [13—20]. По-видимому, здесь важным фактором, определяющим
выбор направления, была корреляция между внешними и внутренними
часами.
РАСПОЛОЖЕНИЕ ПЛАНЕТАРИЯ
И ОСНОВНЫЕ УСЛОВИЯ ЭКСПЕРИМЕНТА
Новый планетарий расположен в Бремене, за 3759 м от прежнего места.
Его географические координаты: 53°05' с. ш., 8°49' в. д. Планетарий рас-
полагается на нижнем этаже новой мореходной школы. Направление на
север внутри планетария составляет с истинным северным направлением
41° (раньше было 336°). Вокруг планетария создано искусственное маг-
нитное поле, отличное от магнитного поля на старом месте.
Во время всех опытов клетки находились южнее расположенного
в центре проектора, создающего на куполе изображение звездного неба.
Мы не имели возможности вращать небо планетария с естественной
скоростью; поэтому картина неба менялась скачкообразно каждые
15 мин.
Навигация по звездам у птиц, совершающих ночные перелеты
653
ПОДОПЫТНЫЕ экземпляры птиц
Мы попытались более детально проанализировать влияние различий
между экспериментально установленным временем и внутренними часами
на ориентацию нескольких видов славок. Птицы были пойманы во второй
половине августа 1958 г. возле Зеррана (Карпин, Восточная Германия);
координаты 53°40' с. ш., 12°22’ в. д. 10.IX птицы были привезены в Киль
(54°20' с. ш., 10°09' в. д.), откуда 13. IX их переправили в Бремен (53°05'
с. ш., 8°49' в. д.). Везде славок держали в условиях местного времени;
в Киле и Бремене в их поле зрения не было никаких небесных тел. В тече-
ние сентября единственными ориентирами для птиц были искусственные
звезды.
Были использованы следующие птицы из рода Sylvia'.
1. Славка садовая, S. borin (G645); была испытана в контрольных
экспериментах, в которых искусственное звездное небо было установ-
лено в соответствии с местным временем. Миграция закончилась 24.IX,
после чего наблюдалась линька слегка поврежденных хвостовых
перьев.
2. Славка садовая, ^(С637); была использована в контрольных экспе-
риментах под беззвездным куполом и в условиях, когда искусственное небо
было повернуто на 180° относительно местного. Наблюдалась высокая
активность, птица почти все время махала крыльями.
3. Славка черноголовая, S. atricapilla, $ (В632); испытана в контроль-
ных экспериментах под беззвездным куполом, в условиях, когда звездное
небо было установлено в соответствии с местным временем и когда оно было
смещено вперед относительно местного времени.
4. Славка черноголовая, Q (В640); испытана в контрольных экспери-
ментах под беззвездным куполом и под искусственным небом, повернутым
на 180° относительно местного.
5. Славка черноголовая, J1 (В652); испытана в контрольных экспери-
ментах, в которых звездное небо было установлено в соответствии с мест-
ным временем, и в двух экспериментах, в которых небо было смещено назад
относительно местного времени.
РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТОВ
А. КОНТРОЛЬНЫЕ ЭКСПЕРИМЕНТЫ
Под беззвездным куполом, освещенным со стороны горизонта слабым
рассеянным светом, птицы либо оставались неподвижными (G637, В632),
либо кружили вокруг кольца без какой-либо преимущественной ориента-
ции (В632, В640). Это подтвердило полученные нами ранее результаты,
согласно которым птицы этих видов не могут находить географическое
направление в закрытом помещении.
Когда на купол было спроектировано звездное небо, соответствующее
местному времени и широте, с введением поправки на время каждые 15 мин,
птицы поворачивались преимущественно в одном определенном направле-
нии (фиг. 4); результаты полностью соответствуют результатам экспери-
ментов в старом планетарии. Средние направления, вычисленные путем
подсчета векторных сумм, для всех трех птиц практически совпали. Ника-
кого влияния местного магнитного поля обнаружено не было.
654
Э. Д ж. 3 а у э р, Э. М. 3 а у э р
Фиг. 4. Сводка результатов контрольных экспериментов в новом пла-
нетарии (осень 1958 г.), небо которого соответствовало местному времени
и широте (поправки на изменение картины неба со временем вносились
каждые 15 мин).
Опыт Птица ВН А Н СН
а G 645 5 час 06 мин 1 час 00 мин 00 сек 180° 07 мин 56 сек 200°
б В 632 6 51 4 47 25 225 09 03 199
в В 652 2 43 0 30 35 225 05 07 200
Здесь и далее используются следующие сокращения: А — время, в течение которого
птица активно машет крыльями; ДА — среднее отклонение птицы по азимуту отно-
сительно искусственного неба (знак + всюду соответствует отсчету по часовой стрел-
ке); ВН — время наблюдения; 3—время, соответствующее данному положению звезд;
Н — предпочитаемое направление; СН — среднее направление; СО — среднее откло-
нение от стандартного направления; А/ и Д°— разница между ВН и 3 (в часах и гра-
дусах соответственно); — время, соответствующее положению радиуса круговой
диаграммы.
Б. ОРИЕНТАЦИЯ ПТИЦЫ В632 ПО ИСКУССТВЕННОМУ ЗВЕЗДНОМУ НЕБУ
ПРИ ПОСТОЯННО ВОЗРАСТАЮЩЕМ СМЕЩЕНИИ ВПЕРЕД
ОТНОСИТЕЛЬНО МЕСТНОГО ВРЕМЕНИ
В течение восьми экспериментов с 14 по 20. IX (см. фиг. 4, б) птица
В632 находилась в состоянии хорошо изученной осенней миграции. 21.IX
мы начали новую серию экспериментов, в которой картина неба менялась
со временем так, что от эксперимента к эксперименту все более опережала
местное время (фиг. 5). Серия а — е указывает, что птица пытается ком-
пенсировать такое опережение, по-видимому, как мы указывали ранее [9],
под прямым влиянием сдвинутой во времени картины неба.
Изменение ориентации непропорционально повороту искусственного
неба по азимуту. Если в серии а — е сопоставить среднее опережение по
азимуту (в часах или градусах) со средним отклонением птицы от стандарт-
ного направления и со средней разницей между изменением ориентации
птицы и поворотом неба по азимуту, то можно увидеть некоторые законо-
мерности в отклонении птицы. При повороте неба по азимуту до 45°45'
(а — г) компенсация поворота у птицы даже превосходит ожидаемую вели-
чину. Затем величина компенсации понижается; при поворотах на +75о30'
и -ф90°15'до полной компенсации не хватает соответственно 7°45' и 38°15'
(д — е). Такую реакцию нельзя объяснить параллаксом, возникающим
из-за малых размеров планетария, так как этот параллакс должен был
еще более увеличить положительное отклонение от стандартного напра-
вления. Видимо, в условиях эксперимента действует еще какой-то неизве-
стный нам фактор.
В последующих экспериментах (ж — м) птица теряет ориентацию.
Разница всего в 0°30' между поворотами по азимуту в экспериментах ей ж
Навигация по звездам у птиц, совершающих ночные перелеты
655
не может иметь большого значения. Главную роль должен играть тот уча-
сток неба, который находится в поле зрения птицы. Между последним
положением неба в эксперименте е и его положением при первом появлении
в эксперименте ж имеется еще дополнительная разница в 45 мин (11°15')-
Основным ориентиром для птицы служит. абсолютное положение звезд
на небе, т. е. тот конкретный участок неба, который попадает в ее поле
зрения. Поворот неба (в часах или градусах с учетом изменений его кар-
тины в течение года), приводящий к потере ориентации, сильно уменьшается
к концу миграции и к концу каждой отдельной ночи. Это явление тоже
должно быть принято во внимание. Даже поворот много меньший, чем на
6 час 1 мин (90°15') в эксперименте е, может привести к потере ориентации;
и в этом случае потеря ориентации тесно связана с абсолютным положением
звезд на небе. Указанное явление, продемонстрированное на славках-зави-
рушках [9], очень часто упускают из виду.
Следует добавить, что птица В632, обычно очень живая, во время экспе-
римента е становится легко раздражимой. Отсюда следует большой раз-
брос в направлениях птицы; под влиянием незначительных раздражений
птица быстро сбивается с верного направления.
Во время экспериментов ж — м птица В632 теряет ориентацию. Инте-
ресно, что во всех экспериментах она движется вокруг кольца только по
часовой стрелке и никогда не движется против часовой стрелки.
В третьей серии экспериментов (« — п) птица как бы не может решить,
лететь ей в направлении осенней или весенней миграции. В течение часа
(эксперимент н) птица 352 раза меняла направление миграции, вероятно
вследствие сильного нервного возбуждения, испытанного в ходе экспе-
риментов и — м.
Во время эксперимента р птица отдавала небольшое предпочтение
ориентации в юго-западном направлении, но, вообще говоря, ее поведение
в этом случае можно было бы интерпретировать и как повторную потерю
ориентации, более заметную в экспериментах с и особенно т.
Результаты последующих экспериментов противоречивы. Вначале
(эксперимент у) при среднем отставании искусственного звездного неба
относительно местного на 6 час 06 мин птица придерживается более или
менее определенного направления. Этот результат можно представить как
компенсацию в сторону «предыдущей» картины неба. Но затем, вопреки
всяким ожиданиям, вновь наблюдается дезориентация (эксперименты ф
и х); в эксперименте ц наблюдается компенсационный полет, а в экспери-
менте ч — вновь дезориентация. Эксперимент ш снова дает компенсацию.
Наконец, в экспериментах щ иэ, в которых искусственное небо снова почти
совпадает с местным, птица вновь находит направление осенней миграции.
В связи с абсолютным положением звездного неба эксперимент ф попадает
между экспериментами т и у (объяснение дезориентации для этого случая
см. на стр. 662). Но причины дезориентации в экспериментах х и ч все
же неясны. Возможно, кружение вокруг кольца представляет собой обыч-
ную реакцию птиц, находящихся в сильно возбужденном состоянии. Кроме
того, в условиях, когда планетарий не освещается даже слабым горизон-
тальным рассеянным светом, птица может вообще забыть о существовании
кольца. Следовательно, дезориентация в указанных двух случаях может
быть связана и со случайными обстоятельствами.
Компенсируемый угол в экспериментах у, ц и ш, так же как и в серии
а — е, отличается от поворота неба по азимуту. В этих случаях отклонение
от стандартного направления выражено в виде отрицательных чисел, кото-
рые меньше эквивалентных положительных величин. Среднее отклонение
Фиг. 5. Ориентация птицы В632 по искусственному звездному небу при постоянно возрастающем
смещении вперед относительно местного времени; осень 1958 г., 50° с. ш., стандартное направление 199°
(осенняя миграция) и 19° (весенняя миграция).
Обозначения см. в подписи к фиг. 4.
вн 3 Среднее Среднее Л° А Н СН СО ЛА
сен- тябрь местное время сен- тябрь местное время
a 21 19 24—20 37 21 20 35—21 20 + 00час 57 мин 30 сек +14’23' 52 мин 50 сек 225° 9 мин 47 сек 220’20' + 2 1’20' + 6’07'
б 21 23 58—00 20 22 02 05—02 20 + 02 03 30 + 30 53 07 01 270 1 09 233 25 + 34 25 + 3 32
в 22 19 22 -19 46 22 21 35-21 50 + 02 08 30 + 32 08 21 28 270 3 44 253 35 + 54 35 + 22 27
г 23 19 44—20 45 23 22 50—23 45 + 03 оЗ 00 + 45 45 50 07 270 13 15 249 50 + 50 50 + 5 05
д 24 19 16—20 17 25 00 35—01 05 + 05 02 00 + 75 30 58 23 270 12 49 266 45 + 67 45 - 7 45
е 25 19 45—20 23 26 01 50—02 20 4 06 01 00 + 90 15 25 18 270 2 51 251 00 + 52 00 -38 15
OiC 25 20 55—21 39 26 03 05—03 35 + 06 03 00 + 90 45 37 50 (45) 2 50 Дезориентация
3 25 21 40—22 13 26 04 35—05 05 + 06 53 30 + 1 03 23 30 36 (180) 2 26
и 26 19 28—20 32 27 03 35—04 20 + 07 57 30 + 119 23 57 08 (202) 2 32
(247)
К 26 20 33—21 04 27 05 35—06 05 + 09 01 30 +135 23 31 00 (11) 1 30
Л 26 21 04—21 35 27 07 05—07 20 4 09 53 00 + 148 15 30 57 (338) 1 50 »
м 27 19 10—19 47 28 06 05—06 35 + 10 51 30 +162 53 33 30 (45) 2 04 »
н 27 19 48—20 49 28 07 50—08 35 +11 54 00 +178 30 60 00 225 11 16 205’00' 352 Миграционный
45 19 05 конфликт (ци-
0 27 20 50—21 50 28 09 50—1 0 35 + 12 52 30 + 193 08 58 00 180 9 16 199 10 158 фры означают
0 13 45 число перехо-
п 28 19 23—20 02 29 09 35—09 50 + 14 00 00 +210 00 34 18 225 5 08 197 35 65 дон между на-
0 1 1 45 правлениями
весенней и
осенней миг-
рации)
р 28 20 03—20 17 29 1 1 35 + 15 25 00 +231 15 14 00 (225) 1 06 (254’40') Переход к дезориентации
с 28 20 18—20 47 29 12 20—12 35 + 15 55 00 +238 45 29 00 (0) 2 01 Дезориентация
т 28 20 48—21 16 29 13 50—14 05 + 16 55 30 + 253 53 28 00 (259) 1 40
У 28 21 17—21 50 29 15 20—15 35 + 17 54 00 +268 30 30 30 135 2 37 124’45' | - 74’15' + 17’15'
ф 29 19 13—19 48 30 14 20—14 35 + 18 57 00 +284 15 22 00 (180) 1 45 Дезориентация
X 29 19 49—20 20 30 15 50—16 05 + 19 53 00 + 298 15 31 00 (259) 1 30 » 1 »
ц 29 21 32—22 03 30 18 35—18 50 +20 55 00 +313 45 26 00 135 2 36 116’10' 1 -82’50' -36’35'
ч 29 22 04—22 35. 30 20 05—20 20 +21 53 00 + 328 15 31 00 (225) 1 40 Дезориентация
ш 29 22 44-23 15 30 21 50—22 05 + 22 58 00 + 344 30 29 00 135 2 17 168’15' -30’45' -15’15'
Щ 30 19 34 — 19 58 30 19 34—19 50 17 17 225 3 24 21 1 20 + 12 20
3 30 19 59-2’ 2 1 30 Ю с9-91 15 57 09 225 13 05 207 50 + 8 50
658
Э. Дж. Зауэр, Э. М. Зауэр
направления миграции от стандартного осеннего направления в экспе-
рименте у на 17°15' меньше поворота неба (—91°30'). В экспериментах ц
и ш отклонение превосходит поворот (—46°15' и —15°30') соответственно
на 36°35' и 15°15'. Эти результаты также не могут быть следствием парал-
лакса. Они скорее говорят в пользу стабилизированных западных (а — ё)
и восточных (у, ц, ш) отклонений. Птица не отклоняется дальше, чем на
запад или восток, и в конце концов быстро возвращается к привычному
маршруту полета. Этот результат приобретает особенно важное значение,
если считать, что указанный механизм ориентации обеспечивает возвра-
щение птиц к своим гнездам по вечерам.
В. ОРИЕНТАЦИЯ ПТИЦЫ В652 ПО ИСКУССТВЕННОМУ ЗВЕЗДНОМУ НЕБУ
ПРИ ПОСТОЯННОМ СМЕЩЕНИИ НАЗАД ОТНОСИТЕЛЬНО МЕСТНОГО ВРЕМЕНИ
Эти эксперименты являются обратными по отношению к эксперимен-
там с птицей В632. К сожалению, птица В652 еще в контрольных экспери-
ментах (см. фиг. 4) не отличалась большой миграционной активностью,
Фиг. 6. Ориентация птицы В652 при смещении искусственного звездного неба назад
относительно местного времени; осень 1958 г., 50°с. ш., стандартное направление 200°.
а в последующих опытах ее миграционная активность упала еще больше.
На фиг. 6 представлены только два результата; они совпадают с резуль-
татами соответствующих экспериментов с птицей В632 (у, ц и ш) и до неко-
торой степени аналогичны результатам двух ранее выполненных экспери-
ментов со славками-завирушками [9]. Все же следовало бы провести более
полную серию экспериментов.
Отклонение курса славки В652 тоже не соответствует повороту неба.
В эксперименте 6, а ее отклонение превосходит поворот неба, равный
Фиг. 7. Миграционный конфликт у птицы G637 при повороте искусственного звездного неба
на 180° относительно местного неба; осень 1958 г.
ВН 3 Широта А fR Число пере- ходов между направления- ми осенней и весенней ми- грации
сен- тябрь местное время март местное время
а 15 19.39—21 .35 15 19.35-21.35 53° с. ш. 45 мин 12 сек 5 мин 52 сек 115
16 22.17—22.45 16 22.35 20
б 17 20.55—22.1 1 17 20.50—22.05 30 41 50 4 59 145
в 18 20.33—21.50 18 20.35—21.50 30 39 40 5 03 103
г 19 20.07—21 . 10 19 20.05—21.05 30 49 25 7 39 157
д 19 21.32—21.45 19 21.35 30 11 20 1 40 24
е 20 22.33—23.15 20 22.35—23.05 30 05 04 2 16 5
ж 21 22.02—23.03 21 22.05—22.50 30 32 28 4 07 11
3 23 21 .35—22.25 23 21 .35—22.20 35 26 34 3 14 25
и 24 21 .57—22.55 24 21.55—22.50 45 28 35 3 48 19
к. 25 23.02—00.05 25 23.05—23.50 50 33 35 5 38 26
л 26 23.00—24.00 26 23.05—00.05 35 46 15 10 11 93
м 27 23.03—00.03 27 23.05—00.05 35 38 21 8 09 33
н 28 21.58—22.55 28 22.05—22.50 35 24 06 6 04 14
0 29 20.24—21.03 29 20.35—21.05 35 21 28 4 02 5
п 30 21.27—22.25 30 21.35—22.20 35 23 23 6 25 2
р Сводная диаграмма для опытов а— гг. Л=07 час 47 мин 16 сек; СН0сеиЬ1о= 200°35' (,Н=
= 225°, tR = 57 мин 06 сек); СН ной= 17°20' (Н = 45°, tR — 56 мин 34 сек). "
660 Э. Дж. Зауэр, Э. М. Зауэр
•—51°08', на величину 30°07'; в эксперименте 6, б поворот —45° компен-
сируется не полностью (остается еще 12°20'). Высказанные выше сообра-
жения приложимы также и к этому случаю.
Г. МИГРАЦИОННЫЙ КОНФЛИКТ У ПТИЦ G637 И В640
ПРИ ПОВОРОТЕ ИСКУССТВЕННОГО НЕБА НА 180°
ОТНОСИТЕЛЬНО МЕСТНОГО НЕБА
В самых первых экспериментах, выполненных в планетарии (весна
1956 г.), самец славки черноголовой при повороте неба планетария на 180°
относительно местного неба колебался в выборе направления миграции,
попеременно ориентируясь то в северо-восточном, то в юго-западном напра-
влениях относительно искусственного неба (такие колебания мы и назы-
ваем миграционным конфликтом) [9]. Аналогичные результаты были полу-
чены осенью 1956 г. на славках-завирушках; эти птицы постоянно путали
специфичные для своего вида северо-западное и юго-восточное направления
миграции. В обоих случаях птицы видели небо повернутым на 180° только
во время двух экспериментов. Рассмотренные выше исследования с пти-
цей В632 (см. фиг. 5, эксперименты н — п) дали аналогичные результаты.
Птицы G637 и В640 испытывались в указанных условиях в течение боль-
шой серии экспериментов. Задача состояла в том, чтобы проверить, будет ли
длительное действие поворота неба на 180° стимулировать у птиц мигра-
цию в обратном направлении. Как уже говорилось, обе птицы в течение
всего сентябрьского миграционного периода не видели никаких небес-
ных тел.
Из фиг. 7 и 8 следует, что миграционный конфликт проявляется не
всегда. Возможно, это связано с малой длительностью каждого отдельного
эксперимента — в конце эксперимента птицы успокаивались и почти не
меняли ориентации. В экспериментах, представленных на фиг. 7, г — ж,
н и о, доминировала «весенняя миграция», а в экспериментах 7, и, к, о, п
и 8, з — «осенняя». В целом можно заключить, что миграционный кон-
фликт существует у обеих птиц и указывает на стабильность хода внутрен-
них часов в указанных экспериментальных условиях. В будущем следовало
бы провести эквивалентные эксперименты с птицами, внутренние часы
которых сдвинуты по фазе на 12 час.
В ходе экспериментов мы меняли широту искусственного неба с целью
проверить, во-первых, не приведет ли такое изменение к повышению миг-
рационной активности, и, во-вторых, влияет ли изменение широты на напра-
вление миграции. Разные представители взятых нами видов, гнездящихся
к северу от центральной части Германии, совершают перелеты по сильно
отличающимся маршрутам. Среди них имеются птицы, мигрирующие в юго-
восточном направлении, в юго-западном направлении и в различных про-
межуточных направлениях. Однако птицы G637 и В640 отдавали пред-
почтение юго-юго-западному направлению миграции, которое они сохра-
няли на всех «широтах».
НЕКОТОРЫЕ ОБОБЩЕНИЯ
Описанные эксперименты со славками наряду с ранее выполненными
экспериментами показывают, что внутренние часы этого вида птиц нахо-
дятся в фазе с местным временем. Птицы, обладающие способностью к ориен-
тации по звездам и полностью ограниченные искусственными звездными
Фиг. 8. Миграционный конфликт у птицы В640 при повороте искусственного звездного
неба на 180° относительно местного неба; осень 1958 г.
вн 3 Широта А fR Число пе- реходов между на- правления- ми осенней и весенней миграции
сен- тябрь местное время март местное время
16 22.47—23.20 1 6 22.35-23.05 20° с. ш.
17 20. 17-20.53 17 20.35 20
18 20.15—20.30 18 20.30 30
а 20 23.18 — 00.18 20 23.05—00.65 30 48 мин 57 сек 7 мин 56 сек 263
б 21 21 .00-22.01 21 21.05-21.50 30 29 15 4 09 133
в 23 20.52-21 .33 23 21 . 05-21 20 50 11 58 1 42 28
г 24 20.39-21 .55 24 20.50—21.50 45 18 53 2 18 71
д 25 22.20—23.00 25 22.35—22.50 35 05 19 1 14 22
е 26 21 .47—22.49 26 22.05—22.35 35 38 36 5 23 189
ж 27 21.59—22.44 27 22.05-22.35 35 42 02 5 29 310
28 19.07—19.17 28 19.05 35 50 50
3 28 22.58—23.18 28 22.50-23.05 35 04 20 1 16 18
29 21 . 06—21 .25 29 21.05—21 .20 35
и Сводная диаграмма для опытов а—з: Л=03 час 35 мин 20 сек\
СНОсенью=202°35' (Н=225°, /д=26 мин 02 сек)
СНвесной~ 16°50' <н= 45°> zb=24 мин 11 секУ
662
Э. Дж. Зауэр, Э. М. Зауэр
ориентирами внутри планетария, при нарушении соответствия между кар-
тиной искусственного неба и местным временем отклонялись от естествен-
ного направления сезонной миграции. При ускоренном повороте искус-
ственного неба, приводящем к постепенному увеличению разности между
«небесным» и местным временем, последовательно наблюдались компен-
сационный полет, дезориентация, миграционный конфликт, дезориентация
и снова компенсационный полет. Когда небо вновь возвращалось к поло-
жению, соответствующему местному времени, птицы вновь выбирали пра-
вильное направление миграции. Мы на некоторое время оставим в стороне
несколько противоречивые результаты экспериментов, в которых искус-
ственное небо отставало от местного неба на небольшой угол и в которых
птицы испытывали затруднение при ориентации; эти затруднения могут
определяться самим механизмом внутренних часов.
Различие реакций птиц в разных экспериментах объясняется ориента-
цией по разным участкам звездного неба. У нас нет достаточных оснований
считать, что указанный вид птиц не знаком с полной картиной звездного
неба. Тем не менее их поведение в различных экспериментах, выполненных
в период, когда они в естественных условиях совершают перелеты, позво-
ляет предположить, что потеря ориентации связана с отсутствием на види-
мых участках неба каких-то важных для птиц ориентиров. При этом мы
можем сразу отбросить предположение, что птицы просто ориентируются
по самой яркой звезде. При повороте неба на 180° в поле зрения птицы ока-
зывается участок неба, противоположный аналогичному участку местного
неба; этот участок искусственного неба соответствует картине ночного
неба во время противоположной миграционной фазы. Следовательно,
участки «зимнего» и «летнего» неба, не содержащие нужной для ориента-
ции информации, должны быть идентичны.
С этой точки зрения основное значение приобретает абсолютное поло-
жение звезд на небе. Обычно положение звезд устанавливают по созвездию
Овна (в котором находится точка весеннего равноденствия). Ниже приве-
дены значения азимутов Овна на небе планетария во время экспериментов,
результаты которых показаны на фиг. 4—8.
ф И г. 4
G645 8°29',5
331°52',4
320°4б',5—328°17',8
306°43',2—321°45',7
337°47',3—345° 18',5
332°14',3—339°45',5
В652 328°17',8—335°49' ,0
299° 12', 0—306°43',2
331°15' ,2—338°4б',4
340°44',7—344°15',3
357°45',4—361° 16',0
фиг.
В632 293°17',2
316°50',0
326°19',5—333°50',7
327°18',6
327°18', 6
343°20',2
284°09',5—291°40',7
291 °40', 7—299° 12', 0
293°45',9—297° 31',5
300°32',0—319°05',0
а 300°11',1—311°27',9 Компенсация
б 15°54',7— 19°25',3 »
в 316°12',7—319°43',3 »
г 335°44',9—349°47',2 »
д 3°18',4— 6°49',0 »
е 22°50',6— 30°36',8 »
(В632)
ж 41°53',7— 49°24',9 Дезориентация
3 64О27',4— 73°58',6 »
U 50°24',1— 61°40',9 »
к 80°29' ,0— 88°00',2 »
л 103°02',7— 106°33',3 »
м 88°59',3— 96°30',6 »
Навигация по звездам у птиц, совершающих ночные перелеты
663
н 183°58',9—187°44',5
о 145°08',6—156°40',5
п 142=37', 1—146=07',7
р 172=42',1
с 115=03',7—126=35',5
т 206=17',6—201=18',2
Миграционный у
конфликт ф
То же х
Переход ц
к дезориентации ч
ш
Дезориентация щ
То же э
229=06',2—232°51',9
215=02',9—218=48',6
237=31' ,6—241°32' ,2
278=58' ,4—282=39', 0
301=32', 1—305=17',7
327=36',4—331 °37',0
293° 45',9—297° 31',5
300=32',0—319=05' ,0
Компенсация
Дезориентация
»
Компенсация
Дезориентация
Компенсация
Осенняя миграция
» »
Ф и Г. 6 (В652)
а 313=37',2 Компенсация
б 307°05',1 »
ф И Г. 7 (G637)
а 97=52 ',3—127°57',3
б 118=33',7—137=26',7
в 115°52',2—134°25',3
г 109°20', 1—124=22',6
д 131=53',8
е 147°55',4—155=26',6
ж 141=23',3—152=25',2
з 135=50',4—147°07',2
и 141=50',3—155=22',6
к 160=22',3—171=24',2
л 161=21',4—176°23',9
м 162=20',6—177°23',0
н 148=17', 3—159°19',1
о 126=42',7—134° 13' ,9
п 142=44',3—164=01', 1
Ф И Г. 8 (В640)
а 155°26',6—170=29', 1
б 126°20',8—137=22',7
в 128= 19', 1—132=04',7
г 125=18',2—140=20', 1
д 152=51',1—156=21',7
е 146=19', 1 — 153=50', 2
ж 147=18', 1—154=49', 4
з 159=19',1—163=19',7
На основании этих данных можно сделать некоторые выводы относи-
тельно положения созвездия Овна в разных экспериментах.
А. Картина искусственного неба во время осенней миграции соот-
ветствует картине местного неба (эксперименты с птицами G645, В632 и
В652):
Азимут Овна меняется от 284°09',5 до 8°29',5.
Б. Искусственное небо смещено по азимуту относительно местного неба:
а) компенсационный полет В632 в западном направлении
Азимут Овна меняется от 300°1Г,1 до 30°36',8
б) последующая дезориентация В632
Азимут Овна меняется от 41°52',7 до 106°33',3
в) миграционный конфликт у В632
Азимут Овна меняется от 115°03',7 до 156°40',5
г) дезориентация В632 перед ориентацией в восточном направлении
Азимут Овна меняется от 172°42',1 до 218°48',6
(Два сомнительных результата с максимальным азимутом
Овна 241°32',2 и 305°17',7 не учитываются.)
д) компенсационный полет В632 в восточном направлении
Азимут Овна меняется от 232°5Г,9 до 331°37',0
е) компенсационный полет В652 в восточном направлении
Азимут Овна меняется от 307°05',1 до 313°37',2
ж) миграционный конфликт у G637
Азимут Овна меняется от 97°52',3 до 177°23',0
з) миграционный конфликт у В640
Азимут Овна меняется от 125°18',2 до 170°29', 1.
664
Э. Дж. Зауэр, Э. М. Зауэр
Неопределенные результаты экспериментов с неожиданной дезориен-
тацией В632 (фиг. 5, х и ч) можно не принимать во внимание. Тогда, если
результаты для всех птиц рассматривать совместно, остается только неболь-
шое перекрывание секторов «миграционного конфликта» и «дезориента-
ции». С 97с52',3 до 106°33',3 у птицы В632, отличающейся сильной нервной
возбудимостью, еще наблюдается дезориентация, тогда как у G637 уже
наблюдается миграционный конфликт; на участке с 172°42',1 до 177°23',0
миграционный конфликт у G637 еще продолжается, в то время как у В632
вновь наступает дезориентация. Перекрывание невелико, но все же доста-
точно заметно. Следует помнить, однако, что две рассматриваемые птицы
принадлежат к разным видам; еще важнее, по-видимому, что они сильно
отличаются по темпераменту. Быстрое движение птицы В632 вокруг кольца
может значительно уменьшить точность ее ориентации.
Итак, согласно этим предварительным данным, траектория Овна раз-
бивается на четыре части, причем каждая часть соответствует одному из
четырех секторов неба, по которым птица ориентируется в различных экспе-
риментах.
1. Изменение азимута Овна от 232°5Г,9 до 30°36',8 соответствует сек-
тору осенней миграционной ориентации и компенсационных полетов.
2. Изменение азимута Овна от 41°53',7 до 106°33',3 соответствует сек-
тору дезориентации.
3. Изменение азимута Овна от 97°52',3 до 177°23',0 соответствует сек-
тору миграционных конфликтов.
4. Изменение азимута Овна от 172°42',1 до 218°48',6 соответствует
сектору дезориентации.
Уже на основании этих данных мы можем найти размеры соответствую-
щих секторов неба, определяющих ночную ориентацию славок. Их точная
идентификация и дальнейший анализ будут проведены в следующей статье
(см. журнал Psychologische Forschung).
РЕЗЮМЕ
Эксперименты в планетарии, проведенные с двумя садовыми славками
(Sylvia borin') и тремя черноголовыми славками (Sylvia atricapilla), еще раз
доказывают существование корреляции между внутренними часами ука-
занных видов птиц и их системой ориентации по звездам. Обычно внут-
ренние часы находятся в фазе с местным временем. Поэтому поворот искус-
ственного неба в планетарии относительно местного звездного неба выну-
ждает птиц отклоняться от направления сезонной миграции. В зависимости
от находящихся над птицами секторов неба, в сочетании со сдвигом между
местным и «небесным» временем, у птиц наблюдается соответственно ком-
пенсационный полет, миграционный конфликт между направлениями осен-
ней и весенней миграции и полная дезориентация.
Компенсационный полет означает компенсацию сдвигов во времени,
которые в пространстве соответствуют изменению долготы. Отклонение
птиц от стандартного направления во время компенсационного полета не
соответствует точному значению поворота звездного неба по азимуту.
Определенные принципы ориентации, выявленные в ходе экспериментов,
свидетельствуют в пользу того, что ориентация по звездам является нави-
гационной. Коррекционные полеты в поперечном направлении можно интер-
претировать как эффективный способ возвращения к старым гнездам; напра-
вление этих полетов определяется ходом внутренних часов и картиной
звездного неба.
Навигация по звездам у птиц, совершающих ночные перелеты
665
ЛИТЕРАТУРА
1. Kramer G., Uber Richtungstendenzen bei der nachtlichen Zugunruhe gekafigter
Vogel. Ornithologie als biol. Wissenschaft, Festschrift fur E. Stresemann, 269—
283 (1949).
2. Kramer G., Orientierte Zugaktivitat gekafigter Singvogel, Naturwissenschaften,
37, 188 (1950).
3. Kramer G., Eine neue Methode zur Erforschung der Zugorientierung und die
bisher damit erzielten Ergebnisse, Proc. Xth Intern. Ornith. Congress Uppsala
1950, 269—280 (1951).
4. К r a m e r G., Die Sonnenorientierung der Vogel, Verhandlg. d. Deut-
schen Zoolog. Gesellsch, in Freiburg, 1952, 72—84 (1952).
5. Kramer G., Experiments on bird orientation. Ibis, 94, 265—285 (1952).
6. S a u e r F., S a u e r E., Zur Frage der nachtlichen Zugorientierung von Grasmiic-
ken, Revue Suisse de Zoologie, 62, 250—259 (1955).
7. S a u e r F., Zugorientierung einer Monchsgrasmiicke {Sylvia a. atricapilla L.)
unter kiinstlichem Sternenhimmel, Naturwissensch., 53, 231—232 (1956).
8. S a u e r F., Astronavigatorische Orientierung einer unter kiinstlichem Sternenhim-
mel verfrachteten Klappergrasmiicke, Sylvia c. curruca (L.), Naturwissensch.,
44, 71 (1957a).
9. S a u e r F., Die Sternenorientierung nachtlich ziehender Grasmiicken {Sylvia atri-
capilla, borin und curruca), Zeitschr. Tierpsychol., 14, 29—70 (1957b).
10. S a u e r F., Sauer E., Nachtliche Zugorientierung europaischer Zugvogel in
Siidwestafrika, Die Vogelwarte, 20, 4—31 (1959).
11. Brickenstei n-S tockhammer C., Drost R., Uber den Zug der
europaischen Grasmiicken Sylvia a. atricapilla, borin, c. communis und c. cur-
ruca nach Beringungsergebnissen, Die Vogelwarte, 18, 197—210 (1956).
12. Grote H., Wanderungen und Winterquartiere der palaarktischen Zugvogel in
Afrika, Mitt. Zoolog. Museum Berlin, 16, Д—116 (1930).
13. Schiiz E., Auflassung ostrpeussischer Jungstorche in England 1936, Vogelzug,
9, 65—70 (1938).
14. Sch ii z E., Die Spat-Auflassung ostpreussisher Jungstorche in West-Deutschland
1933, Vogelwarte, 15, 63—78 (1949).
15. Schiiz E., Fruth-Auflassung ostpreussischer Jungstorche in West-Deutschland
durch die Vogelwarte Rossitten 1933—1936, Bonner Zoolog. Beitrage, 1, 239—
253 (1950).
16. R ii p p e 1 1 W., Heimfindeversuche mit Staren 1934, J. f. Ornith., 83, 462—524
(1935).
17. R ii p p e 1 1 W., Heimfindeversuche mit Staren und Schwalben 1935, J. f. Ornith.,
84, 180—198 (1936).
18. R ii p p e 1 1 W., Heimfindeversuche mit Staren, Rauchschwalben, Wendehalsen,
Rotriickenwiirgren und Habichten (1936), J. f. Ornith., 85, 120—135 (1935).
19. R ii p p e 1 1 W., Heimfinden ostbaltischer Nebelkrahen nach Verfrachtung wahrend
des Friinjahrsdurchzuges am Kurischen Haff. J. f. Ornith., 90, 1942.
20. R ii p p e 1 1 W-, Versuche fiber Heimfinden ziehender Nebelkrahen nach Verfrach-
tung, J. f. Ornith., 92, 106—132 (1944).
ОБСУЖДЕНИЕ ДОКЛАДА
Уолрафф. Я считаю, что эксперименты д-ра Зауэра с использова-
нием различных ориентаций небесной сферы представляют собой интерес-
ный путь к отысканию тех свойств звездного неба, которыми пользуются
666
Э. Дж. Зауэр, Э. М. Зауэр
птицы для ночной ориентации, а также к отысканию соответствующих
механизмов; однако отсюда еще не следует, что с помощью подобной ориен-
тации по звездам птицы находят путь к своим гнездам. Здесь я хочу спро-
сить у д-ра Зауэра, что он понимает под словом «азимут». Если я понял его
правильно, он понимает под азимутом звезд их положение относительно
полярной оси. Насколько я знаю, под азимутом обычно понимают положение
звезд относительно оси зенит— надир, т. е. их угловое расстояние от
меридиана в проекции на горизонтальную плоскость. В то время как отно-
сительно полярной оси звезды всегда движутся равномерно (со скоростью 15°
в час), скорость изменения азимута непостоянна. Некоторые относящиеся
к этому вопросу подробности изложены в моей статье.
Зауэр. Могут существовать разные типы ориентации, обеспечиваю-
щие возвращение птиц к своим гнездам по вечерам. В опытах 1956 и 1958 гг.,
проведенных под искусственным небом планетария, сдвинутым по фазе
относительно внутренних часов птицы, была обнаружена безусловная
способность птиц возвращаться ночью к старым гнездам; в этом процессе
играют роль как внутренние часы животного, так и вид звездного неба,
меняющийся в течение суток и по временам года. Следовательно, такое
поведение птиц имеет определенное биологическое значение, и это дает
основание думать, что д-р Уолрафф не прав. «Азимут» мы действительно
определяем как угол относительно полярной оси. Проблемы, связанные
с соотношениями между азимутом звезды, ее высотой над горизонтом
и проекцией азимута на горизонтальную плоскость, будут рассмотрены
в следующей публикации, о которой я уже говорил.
Уэллс. Если я правильно понял, каждая круговая диаграмма дает
направления, в которых птица пытается лететь, но не указывает порядка
следования различных ориентаций. Поскольку известно, что чувствитель-
ность птиц со временем меняется (например, в процессе аккомодации),
было бы желательно, чтобы эти диаграммы отражали также порядок сле-
дования различных ориентаций.
Зауэр. Каждая круговая диаграмма дает правильную картину
регулярного разброса в направлениях полета птицы, постоянного в тече-
ние всего эксперимента. Если чувствительность птицы в течение экспери-
мента меняется, то последовательность изменения ориентации либо дается
в тексте, либо указывается стрелками на периферии диаграммы; если
наблюдается качественное изменение в поведении птицы, то для такого
измененного поведения строится отдельная круговая диаграмма.
РИТМЫ С ОСОБО ДЛИННЫМИ ПЕРИОДАМИ
М. ФИНГЕРМАН
Приливные ритмы у морских
организмов
о
Подъем и спад уровня воды представляют собой одно из важнейших
явлений, наблюдаемых на морских побережьях. Там, где существует полу-
суточный приливный режим, дважды в течение лунных суток наблюдается
высокая вода и дважды — низкая. В тех районах, где имеет место суточный
приливный режим, каждые лунные сутки бывает один раз высокая вода
и один раз — низкая. Некоторые животные, обитающие в таких перио-
дически изменяющихся условиях, выработали формы поведения, позво-
ляющие им приспособиться к чередованию приливов и отливов. К физио-
логическим процессам, в которых проявляется приливная цикличность,
относятся двигательная активность, потребление кислорода и изменение
окраски.
ПРИЛИВНЫЕ РИТМЫ ДВИЖЕНИЙ И МИГРАЦИЙ
Приливные ритмы впервые были описаны у плоского червя Convoluta
roscoffensis [1—3]. Особи этого вида появляются на поверхности песка
в период низкой воды и прячутся в песок, когда уровень воды поднимается.
Эта ритмичность поведения сохраняется у червей и в лабораторных аква-
риумах, когда нет прямого влияния приливов. Вероятно, в течение дня
Convoluta выходят на поверхность при низкой воде для того, чтобы фото-
трофные водоросли, симбиотирующие в их пищеварительном тракте, могли
воспользоваться более интенсивной освещенностью. При подъеме воды
Convoluta прячутся в песок, возможно для того, чтобы избежать повре-
ждающего действия волн.
668
М. Фингерман
Вскоре после описания суточных ритмов у Convoluta подобные ритмы
были описаны и у некоторых других организмов. Бон [4] заметил, что
полихета Hedistes diversicolor появляется из песка каждый раз, когда
вода поднимается, и вновь зарывается, когда вода спадает. Он заметил
также, что моллюск Littorina rudis, обычно обитающий на участках при-
ливной зоны, которые закрываются водой только во время высоких сизи-
гийных приливов, при содержании в аквариуме проявляет активность один
раз каждые 15 суток. Период активности точно согласуется с сизигийными
приливами.
Бон и Пьерон [51 наблюдали, как актиния Actinia equina распускается
во время прилива и сжимается, оказавшись на воздухе в часы отлива.
Бон 16—8] сообщил, что суточные ритмы у A. equina сохраняются в тече-
ние 3—8 дней после помещения животных в лабораторный аквариум, где
они все время находятся под водой. Бон и Пьерон [5], а также Пьерон [9—
11] наблюдали, кроме того, что приливные движения актинии сдвинуты
по фазе несколько вперед по отношению к чередованию приливов и отливов.
Это явление можно было бы назвать «предваряющей реакцией» (anticipa-
tory reaction).
Рак-отшельник Clibanarius misanthropus, обитающий в районах с боль-
шой амплитудой приливов, проявляет отрицательный фототаксис в период
низкой воды и положительный — в период высокой воды [12]. Устойчи-
вым приливным ритмом двигательной активности обладает обитающая
в илах улитка Nassarius obsoletus [13]. В период отлива активны лишь
немногие особи, тогда как во время прилива активность их максимальна.
Моллюски, собранные в местах с разным приливным режимом, проявляют
активность в соответствии с периодом высокой и низкой воды в местах
их первоначального обитания.
У устрицы Crassostrea virginica имеется приливный цикл открывания
и закрывания раковины [14]. В период высокой воды створки раковины
раскрыты шире, чем в любое другое время цикла. Когда устриц, вылов-
ленных в проливе Лонг-Айленд, перевезли почти на 1600 км на запад
в Эванстон (штат Иллинойс), у них в течение нескольких дней сохранялся
ритм, соответствующий приливному режиму в районе острова Лонг-Айленд,
поеле чего максимум их активности начал постепенно смещаться,
пока он не совпал со временем максимального лунного прилива в
Эванстоне.
Моллюск Venus mercenaria также проявляет стойкий приливный ритм
открывания и закрывания сифонов [15], причем время минимального откры-
тия совпадает с временем малой воды в том районе, где животные были
собраны.
Приливный ритм скорости фильтрации воды моллюсками Mytilus
californianus и Mytilus edulis изучал Рао [16]. Максимальная скорость
фильтрации совпадала с приливом в местах обитания моллюсков. Ритм
не зависел от температуры в пределах от 9 до 20° и по меньшей мере в тече-
ние месяца сохранялся в лабораторных условиях (при непрерывном
освещении, в полной темноте и при нормальной смене дня и ночи), совпа-
дая по фазе с приливным циклом в местах естественного обитания
животных.
Обитатели песчаных пляжей моллюски Donax semigranosis и Donax
variabilis мигрируют, прячась в песок при спаде воды и выбираясь на поверх-
ность с подъемом уровня воды [17,18]. В основе такой формы поведения
заложены либо эндогенные ритмы, либо степень влажности песка или пус-
ковые механизмы памяти.
Приливные ритмы, у морских организмов
669
Краб Uca pugnax обладает приливными ритмами спонтанной двига-
тельной активности [19]. Максимум активности наблюдается каждые 12—
13 час и сдвигается в течение солнечных суток со средней скоростью сме-
щения приливного цикла, приблизительно на 50 мин в сутки. Беннет
и Браун [20] собрали Uca pugnax в двух районах, в которых время отлива
отличалось на 5—6 час. В течение первого 24-часового периода с момента
поимки животных фазы двигательной активности этих двух групп, свя-
занные с лунными сутками, отличались приблизительно на 5 час. После
этого максимумы активности животных, принадлежащих обеим группам,
начали постепенно сближаться, и на 7-й день после начала наблюдений
установился единый синхронный ритм. Под влиянием определенных свето-
вых воздействий фазы приливных ритмов двигательной активности краба
Uca могут быть сдвинуты в течение 3 суток [21].
Нейлор [22] наблюдал 24-часовые и приливные ритмы двигательной
активности у краба Carcinus maenas. Каждые 14,8 суток фазы этих ритмов
совпадали, и тогда наблюдались особенно высокие пики активности.
ПРИЛИВНЫЕ РИТМЫ ПОГЛОЩЕНИЯ КИСЛОРОДА
У некоторых видов морских организмов поглощение кислорода меняется
в соответствии с чередованием приливов и отливов. Гомпель [23] прово-
дил почасовые определения поглощения кислорода у ряда морских организ-
мов: актинии (Actinia equina), морского ежа (Paracentrotus lividus), коль-
чатого червя (Arenicola marina), трех видов моллюсков (Patella vulgata,
Haliotis tuberculata, Mytilus edulis), ракообразного Xantho floridus и двух
видов рыб (Rhombus maximus и Pleuronectus platessa). Он нашел, что пот-
ребление кислорода максимально незадолго до установления самого вы-
сокого уровня прилива и минимально — непосредственно перед макси-
мумом отлива.
Сандин, Стефенс и Браун [24] обнаружили устойчивый приливный
ритм потребления кислорода у брюхоногого моллюска Urosalpinx cinereus.
Минимальная скорость потребления кислорода наблюдалась приблизитель-
но через 5 час после отлива, а максимальная — за 2—3 час до него. У улитки
Nassarius obsoletus был изучен суточный ритм потребления кислорода
в условиях постоянной температуры, освещения и давления [25] и устано-
влено, что цикл изменений связан с лунными сутками, причем основной
широкий максимум совпадает с положением луны в зените и меньший мак-
симум — с положением луны в надире.
Интенсивность метаболизма у крабов Uca pugnax и Uca pugilator также
колеблется в соответствии с чередованием приливов и отливов [26, 27]:
минимальное поглощение кислорода наблюдается во время высокой воды
и максимальное —незадолго до установления самой низкой воды. Кроме
того, существует ритм, возникающий в результате совпадения фазы при-
ливных ритмов с 24-часовым ритмом каждые 14,8 суток.
ПРИЛИВНЫЕ РИТМЫ ИЗМЕНЕНИЯ ОКРАСКИ
Первое сообщение об изменении окраски морских животных в соответ-
ствии с приливным режимом принадлежит Брауну, Фингерману, Сандину
и Вебб [28]. Эти авторы изучали окраску краба Uca pugnax, обитающего
в районе Вудс-Хола (Массачусетс), где существует полусуточный прилив-
670
М. Фингер м а н
ный режим. Как известно, у этих животных наблюдается 24-часовой ритм
в изменении окраски, обусловленный тем, что меланин рассредоточивается
в дневные часы и концентрируется ночью. Мы обнаружили, что за 1—3 час
до полного отлива наблюдается дополнительное рассредоточение меланина.
Если отлив происходит в утренние часы, кривая изменения окраски сдви-
гается влево, если во второй половине дня — происходит сдвиг вправо.
Когда полный отлив бывает в 10 час. утра, кривая оказывается симмет-
ричной с вершиной в области полудня. Если же существует и утренний
и вечерний отлив (с интервалом 12,4 час), то кривая имеет два максимума.
В результате наложения 12,4- и 24-часовых ритмов изменения окраски
возникает ритм с периодом 14,8 суток, соответствующим среднему интер-
валу времени между совпадениями фаз этих двух ритмов.
Чтобы выяснить, связаны ли фазы приливных ритмов с уровнем при-
брежных вод, или они непосредственно определяются фазами луны и лишь
вследствие этого коррелируют с уровнем воды, мы сравнили приливные
ритмы крабов, обитающих в районах с разным временем максимального
прилива и отлива. В качестве удобных мест сбора материала были выбраны
Чапокоит на мысе Кейн-Код и лагуна Понд на острове Мартас-Вайнъярд,
в которых время отлива различалось почти на 4 час (в Лагуне Понд позже,
чем в Чапокоите). Другими словами, отлив в определенное время суток
в Чапокоите наблюдается примерно на 5 суток позже, чем в лагуне Понд.
Оказалось, что фазы приливных ритмов у крабов Uca из лагуны Понд сдви-
нуты в среднем на 4,9 суток вперед относительно фаз, наблюдаемых у крабов
из Чапокоита. Поскольку время прилива смещается на 48,8 мин в сутки,
сдвиг на 4,9 суток как раз соответствует 4-часовой разнице во времени
приливных циклов в этих районах. Следовательно, фазы приливных
ритмов непосредственно связаны с уровнем прибрежных вод данного
района.
Интересно было выяснить, можно ли сдвинуть фазы 24-часового ритма,
не сдвигая при этом фазы приливного ритма. С этой целью были поставлены
специальные опыты. Выловленные для опыта крабы были разделены
на две группы. Одна группа — контрольная — была помещена в условия
постоянной темноты. Фазы 24-часового ритма второй группы были резко
сдвинуты назад путем трехкратного освещения животных в период от полу-
ночи до 6 час. утра. Анализы 24-часового и приливного ритмов у этих
двух групп крабов показали, что у второй группы, у которой 24-часо-
вой ритм был сдвинут назад на 4,9 час, приливный ритм был также
сдвинут на 4,6 час. Следовательно, эти ритмы несомненно связаны между
собой.
Состояние пигмента в мел анофор ах ампутированной ноги Uca pugnax
зависит от времени суток, в которое была произведена ампутация [29].
Как известно, в течение дневной фазы 24-часового ритма меланин рассре-
доточен; но Хайнс обнаружил, что в конечности, ампутированной в период
низкой воды, меланин был сконцентрирован в меньшей степени, чем в конеч-
ности, ампутированной во время высокой воды. Браун, Вебб, Беннет
и Сандин [30] показали, что приливный ритм изменения окраски у Uca
pugnax не зависит от температуры в пределах между 13 и 30°.
Данные, свидетельствующие о существовании эндогенного компонента
в приливном ритме изменения окраски у Uca, были получены в работе
Брауна, Вебб и Беннет [31]. При перемещении крабов из Вудс-Хола (Мас-
сачусетс) в Беркли (Калифорния) в течение 24 час не наблюдалось сдвига
фазы этого ритма относительно ритма контрольных животных, находящихся
3
s
I
Фиг. 1.
у крабов
6 12 18 24 6 12 18
5/Ш1955 6/Ш1955
Изменения в степени рассредоточения черного пигмента
Callinectes sapidus, находящихся в постоянной темноте.
Фиг. 2. Соотношение между относительным изменением состоя-
ния меланина у Callinectes (в процентах) и днем месяца для каж-
дого из четырех интервалов, на которые разбит ежесуточный пе-
риод наблюдений.
Можно заметить наложение приливного ритма на суточный. Интервалы
между параллельными наклонными линиями соответствуют 14,8 суток. Под-
робности см. в тексте.
672 М. Фингерман
в Вудс-Холе. Крабы были способны четко различать длину солнечных
и лунных суток.
Фингерман [32] изучал приливный ритм изменения окраски у крабов
Callinectes sapidus, собранных в озере Поншартрен близ Нового Орлеана
(Луизиана). Определение состояния хроматофоров проводили каждый час.
Как показывает кривая, приведенная на фиг. 1, в первый день наблюдений
главный пик приходится на 11 час утра, а во второй день — на полдень.
Этот сдвиг пика приблизительно на 1 час наводил на мысль, что 24-часовой
ритм изменения окраски растягивается в результате наложения прилив-
ного ритма.
Результаты определений среднего состояния хроматофоров, проводив-
шихся ежечасно с 8 час. утра до 7 час. вечера в течение 15 дней
(с 19/11 до 13/Ш 1955 г.), были подвергнуты затем специальному анализу
с целью найти отклонения от среднего состояния для последовательных
3-часовых периодов. Этот метод анализа результатов позволяет также
точно оценить скорость, с которой приливный ритм сдвигается относитель-
но 24-часового ритма [28]. Ежедневные 12-часовые периоды наблюдений
были разбиты на 4 интервала по 3 час, и сумму средних состояний хрома-
тофоров для каждого из этих интервалов делили на сумму 12 состояний,
полученных в течение дня. Частное выражали в процентах. Для любого
трехчасового интервала, совпадающего с временем максимального влияния
прилива на 24-часовой цикл, соответствующий процент должен быть наи-
высшим, тогда как для трехчасовых интервалов, удаленных от этого вре-
мени, он должен иметь наименьшее значение.
Результаты, полученные для Callinectes, приведены на фиг. 2. Как
и предполагалось, описанная выше обработка материала позволила выявить
четкий приливный ритм. Параллельные прямые отделяют периоды в 14,8 су-
ток, соответствующие среднему времени, требуемому для смещения этого
ритма на 12 час. Обнаруженный у Callinectes приливный ритм изменения
окраски оказался таким же, как у краба Uca, т. е. период его также был
равен 12,4 час. Но следует учесть, что Callinectes были собраны в районе
с суточным приливным режимом, где время между двумя последователь-
ными отливами составляет 24,8 час, тогда как Uca pugnax были собраны
в районе с полусуточным режимом. Очевидно, центр приливной ритмики
у Callinectes действует независимо от того, имеет ли место прилив или отлив,
тогда как приливный ритм у Uca достигает максимума только во время
отлива.
Приливный ритм изменения окраски был также изучен Фингерманом
[33] на крабах Uca, собранных на пляжах штата Миссисипи в зоне, рас-
положенной примерно посредине между отметками морского прилива
и отлива, где существует суточный приливный режим. На фиг. '3 показаны
кривые, характеризующие среднее состояние хроматофоров в промежутке
времени между 8 час. утра и 7 час. вечера с 12 по 30/VI 1955 г. (регистрация
каждые два дня). Эти результаты хорошо иллюстрируют природу прилив-
ных ритмов. 12/VI (фиг. 3, Л) вершина кривой занимала крайнее правое
положение. Двумя днями позже (фиг. 3, Б) вершина сдвинулась влево.
Затем вершина снова постепенно сдвигалась вправо (фиг. 3, В—3), но
через 14 дней после первого сдвига она скачком снова переместилась влево
(фиг. 3, И). Чтобы лучше проиллюстрировать природу подобных ритмов,
результаты, полученные для двух групп крабов в период между 2 и 20/VII,
были выражены в описанной выше процентной форме (фиг. 4). Параллель-
ные наклонные прямые были проведены через максимумы приливов, отстоя-
щие на 14,8 суток один от другого.
8час.19час.8час.19час.8иас. 19час.8час.19час.8час. 19 час.
Фиг. 3. Суточные кривые изменения окраски для крабов Uca,
полученные в результате наблюдений, проводившихся раз в два дня
в период между 12 и 30/VI 1955 г.
Фиг. 4. Соотношение между относительным изменением состояния
меланина у крабов Uca (в процентах) и днем месяца для каждого
из четырех интервалов, на которые разбит ежесуточный период
наблюдений.
Можно заметить наложение приливного ритма на суточный. График выяв-
ляет существование цикла с периодом 14,8 суток (интервалы между парал-
лельными наклонными прямыми). Светлые кружки соответствуют крабам,
собранным 1/VI, черные — крабам, собранным 15/VI.
Фиг. 5. Схематичное изображение разреза побережья на пляжах
—. штата Миссисипи, где были собраны крабы Uca.
Цифры перед скобками означают время в часах, требующееся для того, чтобы
уровень воды изменился в указанных на схеме пределах, цифры в скобках —
различия в фазах (в часах), наблюдавшиеся в лабораторных условиях у
крабов, собранных в соответствующих участках побережья. Подробности
см. в тексте.
Время суток
Фиг. 6. Суточные кривые изменения состояния пигмента у кра-
бов Uca, собранных в норках, расположенных в двух разных зонах
пляжа (1956 г.).
Объяснение см. в тексте.
Приливные ритмы у морских организмов
675
4 14 24 3
Июль Август
Фиг. 7. Соотношение между отно-
сительным изменением состояния ме-
ланина у крабов Uca и днем месяца
для каждого из четырех интервалов,
на которые разбит ежесуточный пе-
риод наблюдений (1956 г.).
Светлые кружки соответствуют крабам,
собранным у отметки прилива («верхняя»
группа), черные — крабам, собранным
ближе к уровню воды во время отлива
(«нижняя» группа). Подробности см. в
тексте.
Июнь Июль
Фиг. 8. То же, что на фиг. 7,
но по данным 1957 г.
Для другой серии наблюдений [34] были собраны крабы из норок,
расположенных в средней зоне пляжа («верхняя» группа) и несколько
ближе к линии отлива («нижняя» группа). Ожидаемая разность фаз, осно-
ванная на изучении режима побережья, составляла 1,6 час, что соответ-
ствует в приливном цикле 2 суткам (фиг. 5). Суточные [кривые для этих
двух групп крабов, показанные на фиг. 6, расположены в соответствии
с ожидаемым сдвигом по фазе на 2 суток: кривые для «верхней» группы
676
М. Фи иге р м а н
расположены рядом с кривыми для «нижней» группы, полученными двумя
днями раньше. Двухсуточный сдвиг очевиден из сходства кривых каждой
пары. Форма суточных кривых оказалась не такой, какую можно было бы
ожидать на основании предыдущих наблюдений. Максимум не сдвигался
в течение суток, но все время оставался слева.
Чтобы точно определить скорость смещения приливного ритма отно-
сительно 24-часового ритма и ясно продемонстрировать разность фаз между
приливными ритмами крабов, собранных из разных зон пляжа, результаты
были представлены в описанной выше процентной форме (фиг. 7). Двухсуточ-
ная разность фаз очевидна: для любого заданного времени суток «нижняя»
группа дает соответствующие максимумы и минимумы двумя днями раньше
«верхней». Из-за отсутствия послеполуденных максимумов 14,8-суточный
цикл (показанный на фиг. 7 двумя сплошными наклонными прямыми)
состоит из двух 7,4-суточных циклов (см. пунктирную наклонную прямую),
так как вместо смещения момента наибольшего приливного эффекта от полу-
дня в послеполуденное время он сдвигается обратно к раннему утру. Зна-
чение 7,4-суточного ритма не ясно, так как ни одно космическое явление
не характеризуется периодом 7,4 суток.
В 1957 г. Фингерман, Лоу и Мобберли [35] повторили опыты с кра-
бами, собранными из верхней и нижней зон пляжа. Ожидаемая разность
фаз, основанная на наблюдениях времени освобождения указанных участков
побережья из-под воды, составляла 7,3 час (см. фиг. 5).
У крабов обеих групп были обнаружены приливные ритмы, но, как
и предсказывалось, эти ритмы расходились по фазе: у «верхней» группы
максимумы наблюдались всегда на 9,5 час раньше, чем у «нижней»
группы.
Представив эти данные в процентной форме (фиг. 8), мы нашли, что
кривые для крабов «верхней» группы смещены в среднем на 11,9 суток
вправо относительно кривых для «нижней» группы. На фиг. 8 разности фаз
между наибольшими и между наименьшими приливными эффектами для
обеих групп выражены в часах исходя из того, что средняя скорость
смещения приливного ритма относительно суточного равна 48,8 мин в сутки.
Средняя разность фаз составляет 9,8 час.
Во время сбора материала было замечено, что в верхней зоне пляжа
норки осушаются и крабы выходят на поверхность через 75 мин после
спада воды, тогда как в нижней зоне это происходит лишь через 4 час после
отступления воды. Иными словами, крабы «нижней» группы выходили
на поверхность на 10,1 час позже крабов «верхней» группы, что очень близко
к величине разности фаз в 9,8 час, измеренной в лаборатории. Возможно,
что разница во времени выхода крабов из двух групп на поверхность свя-
зана с особенностями грунтов в местах их обитания. Норки крабов «верх-
ней» группы находятся в грубозернистом песке, высыхающем быстрее ила,
в котором живут «нижние» крабы. Благодаря этому крабы «верхней»
группы могут выходить на поверхность вскоре после отступления воды,
поскольку плотный песок не осыпается при рытье хода.
Эти данные подтверждают гипотезу о том, что момент наибольшего
влияния приливов и отливов на изменение окраски крабов определяется
приливными явлениями на ограниченном участке побережья. Основным
фактором является, по-видимому, время отступления воды с участка,
где находятся норки, вторичным — быстрота высыхания участка, так
как для постройки выходов из норок грунт должен стать достаточно
плотным.
Приливные ритмы у морских организмов
677
ЛИТЕРАТУРА
1. Bohn G., Sur les mouvements oscillatoires des Convoluta roscoffensis, C. R. Acad.
Sci. Paris, 137, 576—578 (1903).
2. G a m b 1 e F. W., Keeble F., The bionomics of Convoluta roscoffensis
with special reference to its green cells, Proc. Roy. Soc. Lond., 72, 93—98
(1903).
3. G a m b 1 e F. W., The bionomics of Convoluta roscoffensis with special reference
to its green cells, Quart. J. Mier. Sci., 47, 363—431 (1904).
4. Bohn G., Periodicite vitale des animaux soumis aux oscillations du niveau des
hautes mers, C. R. Acad. Sci Paris, 139, 610—611 (1904).
5. Bohn G., Pieron H., Le rhythme des marees et la phenomene de 1’anticipa-
tion reflexe, C. R. Soc. Biol. Paris, 61, 660—661 (1906).
6. Bohn G., La persistance du rhythme des marees chez 1’Actinia equina, C. R. Soc.
Biol. Paris, 61, 661—663 (1906).
7. Bohn G., Le rhythme nycthemeral chez les Actinines, C. R. Soc. Biol. Paris,
62, 473—476 (1907).
8. Bohn G., Les reactions des Actinines aux basses temperatures, C. R. Soc. Biol.
Paris, 68, 964—966 (1910).
9. Pieron H., La reaction aux marees par anticipation reflexes chez Actinia equina
C. R. Soc. Biol. Paris, 61, 658—660 (1906).
10. Pieron H., Quelques recherches preliminaires sur les besions respiratoires en milieu
clos, C. R. Soc. Biol. Paris, 64, 886—888 (1908).
11. Pieron H., La rhythmicite chez Actinia equina L., C. R. Soc. Biol. Paris, 65, 726—
728 (1908).
12. D r z e w i n a A., Les variations periodiques du signe du phototropisme chez les
Pagures misanthropes, C. R. Acad. Sci. Paris, 145, 1208—1209 (1907).
13. S t e p h e n s G C., S a n d e e n M. I., W e b b H. M., A persistent tidal rhythm
of activity in the mud snail, Nassa obsoleta, Anat. Rec., 117, 635 (1953).
14. Brown F. A., Jr., Persistent activity rhythms in the oyster, American J.Physiol.,
178 (3), 510—514 (1954).
15. В e n n e t t M. F., The rhythmic activity of the quahog, Venus mercenaria, and
its modification by light, Biol. Bull., 107 (2), 174—191 (1954).
16, Rao К. P., Tidal rhytmicityj of rate of water propulsion in Mytilus and its modi-
fiabiluty by transplantation, Biol. Bull., 106, 353—359 (1954).
17. M o,r i S., Characteristic tidal rhythmic migration of a mussel, Donax semigranosis
Dkr. and the experimental analysis of its behaviour, Dobutsugaku Zasshi, 59,
87—89 (1950).
18, T u r n e r H. J., В e 1 d i n g D. L., The tidal migrations of Donax variabilis
Say, Limnology and Oceanography, 2, 120—124 (1957).
19, Bennett M. F., Shriner J., Brown F. A., Persistent tidal cycles of
spontaneous motor activity in the fiddler crab, Uca pugnax, Biol. Bull., 112 (3),
267—275 (1957).
20. Bennett M. F., Brown F. A., Jr., Phasing of the rhythm of running activity
of the fiddler crab, Biol. Bull., 117, 404 (1959).
21, Bennett M. F., Brown F. A., Jr., Experimental modification of the lunar
rhythm of running activity of the fiddler crab, Uca pugnax, Biol. Bull., 117, 404
(1959).
22, N {y lor E., Tidal and diurnal rhythms of locomotory activity in Carcinu1? mae-
nas (L.), J. Exp. Biol., 35(3), 602—610 (1958).
23, Gompel M., Recherches sur la consommation d’oxygene de quelques animaux
aquatiques littoraux, C. R. Acad. Sci. Paris, 205, 816—818 (1937).
678
М. Фингерман
24. S а п d е е n М. I., S t е р h е n s G. С., Brown F. A., Jr., Persistent daily
and tidal rhythms of oxygen consumption in two species of marine snails, Physiol.
Zool., 27, 350—356 (1954).
25. В г о w n F. A., Jr., Brett W. J., Webb H. M., The rhythmic nature of metabo-
lism in Ilyanassa in constant conditions, Biol. Bull., 115, 345 (1958).
26. Brown F. A., Jr., Bennett M. F., Web b H. M., Persistent daily and tidal
rhythms of O2-consumption in fiddler crabs, J. Cell and Comp. Physiol., 44(3),
477—506 (1954).
27. Brown F. A., Jr., Webb H. M., Bennett M. F., S a n d e e n M. I., Evi-
dence for an exogenous contribution to persistent diurnal and lunar rhythmicity
under so-called constant conditions, Biol. Bull., 109, 238—254 (1955).
28. В г о w n F. A., Jr., Fingerman M., S a n d e e n M. L, Webb H. M.,
Persistent diurnal and tidal rhythms of color change in the fiddler crab, Usa pug-
nax, J. Exp. Zool., 123(1), 29—60 (1953).
29. H i n e s M. N., A tidal rhythm in behavior of melanophores in automized legs
of Usa pugnax, Biol. Bull., 107, 386—396 (1954).
30. В г о w n F. A., Jr., Webb H. M., Bennett M. F., S a n d e e n M. I.,
Temperature-independence of the frequency of the endogenous tidal rhythm of Uca,
Physiol. Zool., 27(4), 435—349 (1954).
31. Brown F. A., Jr., Webb H. M., Bennett M. F., Proof for an endogenous
component in persistent solar and lunar rhythmicity in organisms, Proc. Nat. Acad.
Sci., 41, 93—100 (1955).
32. F i n g e r m a п M., Persistent daily and tidal rhythms of color change in Calline-
ctes sapidus, Biol., Bull., 109 (2), 255—264 (1955).
33. Fingermann M., Phase difference in the tidal rhythms of color change in two
species of fiddler crabs, Biol. Bull., 110 (3), 274—290 (1956).
34. Fingermann M., Relation between position of burrows and tidal rhythms of
Uca, Biol. Bull., 112, 7—20 (1957).
35. Fingerman M., Lowe M. E., Mobberly W. C., Jr., Environmental
factors involved in setting the ph'ases of tidal rhythm of color change in the fiddler
crabs, Uca pugilator und Uca minax, Limnology and Oceanography, 3, 271—282
(1958).
ОБСУЖДЕНИЕ ДОКЛАДА
Энрайт. Мое диссертационное исследование было посвящено изу-
чению устойчивых приливных ритмов активности рачков, которые во мно-
гих отношениях отличаются от ритмов, рассмотренных д-ром Фингерма-
ном. Я позволю себе кратко описать некоторые обнаруженные мною ритмы,
чтобы продемонстрировать эти различия и указать на возможное разнообра-
зие в проявлениях приливной ритмики. Различия очень велики, и это
наводит на мысль, что я имел дело с совершенно иным типом ритмов, чем
все то, о чем говорил д-р Фингерман.
Настоящее исследование, пока еще не опубликованное, выполнено
на рачке-бокоплаве Synchelidiumn. sp., обитающем на песчаном побережье
в Ла-Холья (Калифорния). Этот район характеризуется смешанным полу-
суточным приливным режимом: два цикла приливов в один и тот же день
нередко значительно отличаются по амплитуде и, кроме того, период цикла
иногда заметно отклоняется от 12,4 аде (фиг. 1).
При помещении в условия постоянной температуры и освещения боко-
плавы проявляют ритмическую активность, которая согласуется как с ампли-
тудой, так и с точным временем приливного цикла, а не с правильным
Время сеток
6/S1959 7/И 8/XL
Фиг. 1. Сопоставление ритмов активности бокоплавов Synchelidium n. sp., содер-
жавшихся в лабораторных условиях, с приливными явлениями на участке побережья,
откуда рачки были собраны.
Вертикальные стрелки иа кривой приливов^ указывают время максимальной активности боко-
плавов. Легко заметить, что пики сравниваемых кривых не совпадают во времени. Высота прилива
отсчитывается от среднего уровня отлива. А, Б и В — данные, относящиеся к разным месяцам.
А н В — фотографическая регистрация с интервалом 30 мин', Б — с интервалом 10 мин. Об-
щее число рачков в опытах А, Б н В — 319, 2100 и 600 соответственно.
680
М. Фингерман
12,4-часовым периодом. Это заключение сделано на основании обшир-
ной серии экспериментов, в ходе которых максимум основного прилива
приходился и на ночные, и на дневные часы. Установленная закономерность
выражена совершенно четко, так что для ее выявления не требуется при-
менять никаких специальных методов статистики (см. фиг. 1).
В поведении свежесобранных животных наблюдается синхронность
с приливами, выражающаяся в том, что первый максимум активности
всегда проявляется не позже чем через 2 час после установления макси-
мального уровня воды. В ходе эксперимента эта синхронизация быстро
нарушается и вместо нее появляется «свободный период», который обычно
длиннее приливного периода более чем на 1 час в сутки. Относительное
различие между активными и неактивными фазами также быстро исчезает
и примерно через неделю ритм затухает.
Позвольте мне отметить наиболее важные моменты моих наблюдений:
найден приливный ритм активности, явно не связанный с временем суток;
получены точные данные об амплитуде ритма активности и начале активной
фазы, которые свидетельствуют о том, что ритм активности выражен совер-
шенно четко; установлено, что у свежесобранных животных этот ритм
хорошо согласуется с фазой, амплитудой и периодом естественного при-
ливного цикла в месте их обитания; показано, что в условиях постоянной
температуры и освещения приливный ритм быстро сменяется «свободным
ритмом», период которого больше периода циклических изменений внеш-
них условий. Таким образом, ритм активности Synchelidium можно было
бы назвать «circa-tidal» (по аналогии с «circadian» — околосуточный) в отли-
чие от ритмов, свойственных другим организмам, о которых шла речь
в докладе д-ра Фингермана.
В предварительных опытах ритмы, очень напоминающие ритмы Syn-
chelidium. n. sp., были найдены и у некоторых других ракообразных, обитаю-
щих на песчаных пляжах: у краба Emerita analoga, мизиды Archaeomyses
maculata и равноногого рака Excirolana chiltoni.
В свете всех этих данных можно усомниться в правильности предполо-
жения, по которому явно приливный ритм обусловлен прямым влиянием
Луны или возникает в результате наложения суточных и лунных циклов.
До тех пор пока прямое влияние Луны не будет доказано, безопаснее было бы
терминологически разделять ритмы на явно приливные и истинно лун-
ные—подобные тем, которые изучал д-р Хауэншильд. Безусловно, вполне
возможно, что в некоторых случаях Луна непосредственно вызывает при-
ливные ритмы, но я сомневаюсь, чтобы этим можно было объяснить мои
наблюдения.
Маршалл. Замечательный пример приливной ритмичности суще-
ствует у одного североамериканского позвоночного животного. Большин-
ство иностранцев, как и я сам, мало знают об этом животном. Я имею в виду
маленькую рыбку лаурестес (Leuresthes tenusi), которая в период между кон-
цом февраля и началом сентября выбрасывается из воды, чтобы отнерес-
титься на побережьях южной Калифорнии в дни новой или полной луны.
Д-р Б. Уокер много работал с этими животными, однако до сих пор
он опубликовал лишь одно очень краткое сообщение (см. Calif. Fish, and
Game 38, 1953). Эти рыбки являют собой очень яркий пример эволюции
ритмической активности, эндокринной синхронизации и приспособления
формы поведения к определенным внешним условиям.
Волны выбрасывают половозрелых самок на берег; если самок сопрово-
ждают один или несколько самцов, самки закапываются хвостом в мокрый
песок и нерестятся. Тем временем самцы в процессе брачных игр выпускают
Приливные ритмы у морских организмов
681
молоки таким образом, что они стекают вдоль тела самки и оплодотворяют
икринки. После этого рыбы возвращаются в море, а их яйца покрываются
мокрым песком.
Нередко большие участки берега оказываются сплошь покрытыми
серебристыми рыбками, временно оказавшимися на1 песке. В идеале лауре-
стесы должны нереститься в то время, когда прилив идет на убыль, потому
что тогда их яйца не будут смываться водой вплоть до следующего мак-
симума прилива. Таким образом, имеются только три или четыре ночи
в каждом периоде новой или полной луны, когда условия идеальны для
сохранения яиц, и именно в эти ночи и наблюдается «ход» лаурестесов.
Яйца развиваются в сыром песке, и вылупление молоди происходит только
при взмучивании песка волнами прибоя. Один из самых эффективных
биологических опытов, который я когда-либо знал, заключается в том, что
из маленького стакана вливают воду в большой стакан, где находится сырой
песок и яйца лаурестесов, собранные на побережье дней за 10 до опыта.
Под воздействием такого искусственного «прибоя» в течение нескольких
секунд вылупляются десятки мальков. Я надеюсь, что д-р Уокер вскоре
опубликует полные результаты своей многолетней работы с Leuresthes
tenuis.
к. ХАУЭНШИЛЬД
Л у иные ритмы,
о
Биологический ритм можно назвать лунным, если максимумы и мини-
мумы данного ритмического процесса проявляются один или два раза
в определенной фазе Луны. Другими словами, периоды таких процессов
составляют около 30 (точнее, 29,53) или 15 (точнее, 14,77) суток.
К настоящему времени в результате наблюдений над животными в есте-
ственных условиях выявлен целый ряд лунных ритмов; некоторые из них
видны непосредственно, для выявления других требуется статистическая
обработка полученных данных. Часто лунные периодические процессы
связаны с размножением. Приведем некоторые примеры. В Тихом и Атлан-
тическом океанах встречается червь-палоло (Eunice viridis и Е. fucata).
Зрелые эпитокные членики этих червей роятся (всплывая к поверхности)
почти исключительно в дни последней четверти Луны, что подтверждено
многочисленными наблюдениями [1, 2]. У хирономиды Clunio marinus
вылет имаго происходит в течение нескольких дней — во время полнолуния
или новолуния, т. е. каждые 14—15 дней. Наиболее изучены в этом
отношении морские организмы. Однако недавно была описана лунная
периодичность в поведении мушки Povilla adusta из озера Виктория. Рое-
ние взрослых насекомых этого вида происходит в основном в дни полно-
луния [4].
Прежде всего перед нами встает вопрос: каким образом биологические
периоды синхронизуются с фазами Луны? Недавно японские исследователи,
изучая Clunio tsushimensis в лабораторной культуре, установили, что раз-
витие этого насекомого длится 42 дня. В море были обнаружены 3 популя-
ции, циклы развития которых отличались тем, что массовые вылеты про-
исходили каждые 2 недели [5]. Однако для объяснения прямой связи между
временем вылета и сизигиями в течение длительного времени необходимо
предположить, что развитие насекомого каким-то образом регулируется
изменениями фаз Луны. Каков механизм действия Луны в качестве
внешнего датчика времени, показывают результаты наших эксперимен-
тов с многощетинковым червем Platynereis dumerilii, собранным в
Неаполе и содержавшимся в лабораторной культуре при постоянных
условиях.
Достигнув половой зрелости, Platynereis превращается в так называе-
мую гетеронереидную форму, которая совершает метаморфоз, а затем роится
в течение нескольких часов, всплывая к поверхности моря. В это время
происходит нерест, после чего червь погибает. Достигшие половой зрелости
Лунные р ит м ы
683
гетеронереисы роятся в первую же ночь после завершения метаморфоза,
на который требуется около 1 недели. Таким образом, день роения предо-
пределяется уже началом метаморфоза.
При содержании червей в лаборатории в условиях естественного осве-
щения роение гетеронереисов, как и в море, связано с фазой Луны. Мас-
совый ход наблюдается в период между последней и первой четвертью Луны,
Фиг 1. Данные по роению 366 гетеро-
нереисов, содержавшихся в течение 1 года
в культуре в условиях естественного осве-
щения (Л), и 524 гетеронереисов, содер-
жавшихся в течение того же времени в
культуре в условиях постоянного искусст-
венного освещения (Б).
Одно деление оси абсцисс соответствует одним
суткам, оси ординат — одному роящемуся {гете-
ронереису. Тот же масштаб принят во всех сле-
дующих диаграммах (если нет специальной ого-
ворки). В опытах с искусственным освещением
прямоугольники под осью абсцисс указывают
для каждых суток длительность освещения в со-
ответствии со шкалой, расположенной слева (1
деление — 4 час).
Фиг. 2. Распределение роящихся
нереисов при искусственном освеще-
нии (СТ 12 : 12) с периодическим по-
вторением круглосуточного освеще-
ния (СС-период) каждые 30 суток.
Л — круглосуточное освещение между
25-ми и 30-ми сутками в цикле освещения;
5 _ через 2 месяца после того, как
СС-период был увеличен с 6 до 10 суток
и передвинут в положение между 9-ми и
18-ми сутками.
тогда как в период полнолуния нерестятся лишь единичные экземпляры
(фиг. 1, Л). Если содержать культуру червей в условиях постоянного искус-
ственного освещения, роение происходит более или менее равномерно
в течение всего лунного месяца (фиг. 1, Б). Можно вызвать периодичность
роения искусственным путем, подвергая червей смене освещения с перио-
дом в 30 суток. Например, в течение 24 суток давать 12 час света и 12 час
темноты (режим СТ 12 : 12), а 6 суток подвергать их непрерывному осве-
щению (режим СС). В этом случае положение максимума роения совершенно
684
К. Хауэншильд
не зависит от фазы Луны, а полностью определяется положением СС-периода
(фиг. 2). Если СС-период передвинуть в середину цикла, то черви, которые
к этому времени не достигли половозрелости, роятся после 2-месячного
переходного периода, причем распределение числа роящихся нереисов
во времени получается обратным (фиг. 2, Б). Поскольку в эксперименте,
изображенном на фиг. 2, СС-период был не только сдвинут, но и растянут
во времени, результаты позволяют заключить, что положение максимума
определяется не началом, а концом СС-периода. Этот вывод подтверждается
следующим наблюдением. Если 2 группы животных освещать по программе
с инвертированными световыми циклами (например, 20 суток СТ+10 сутокСС
и наоборот), то максимумы роения совпадают более строго, если время
роения в обоих случаях связывать с переходом от СС к СТ-периоду (фиг. 3).
Иногда основному максимуму предшествует маленький пик (например,
на фиг. 2, Л), что, возможно, связано с началом СС-периода.
Дальнейшие эксперименты [7] показали, что периодичность роения
может быть индуцирована не только вставкой периода непрерывного осве-
щения, но и изменением длительности световой и темновой фаз. Чередование
режимов СТ 18 : 6 и СТ 12 : 12 действует так же, как СС-период. Но чередо-
вание того же режима СТ 18 : 6 с СС-периодом действует как СТ-период
(фиг. 4). Если резкую смену режима освещения заменить плавной, перио-
дичность роения сохраняется. Из сравнения эксперимента, в котором дли-
тельность освещения уменьшалась и увеличивалась постепенно, на 1 час
каждые сутки, с другим экспериментом, где СС-режим заменялся на режим
СТ 18 : 6 скачком, создается впечатление, что до тех пор, пока световая
фаза превышает 4 час, метаморфоз не начинается (фиг. 5).
В описанных выше опытах освещение осуществлялось одной лампой
(3 вт), причем интенсивность освещения составляла 0,5—2 лк в зависимости
от положения культуры относительно лампы. Но периодичность роения
гетеронереисов сохранялась и в том случае, если освещение проводилось
по следующей программе: все 30 суток 12-часовое освещение 20—120 лк
(лампой 15 вт)-, в последние 6 суток дополнительное 12-часовое освещение
очень слабым светом (0,02—0,1 лк), имитирующим ночной лунный
свет, тогда как в течение первых 24 суток — 12 час полной темноты
(фиг. 6, А).
В контрольном опыте, где не было слабой подсветки в «ночные» часы,
периодичности роения гетеронереисов не наблюдалось (фиг. 6, Б). Здесь
следует особенно подчеркнуть, что даже в том случае, когда прекращение
роения совпадает во времени с СС-периодом, нет прямых доказательств
того, что причиной, предотвращающей роение, служит постоянный свет.
Вполне вероятно, что в культуре отсутствовали половозрелые гетеронереид-
ные формы в результате того, что за неделю до начала действия постоянного
света не было особей, начавших метаморфоз. Таким образом, пауза роения
определяется не воздействующим СС-периодом, а предыдущим. Если
в течение ночного времени гетеронереисов периодически освещать слабым
голубым (433 ж р) или красным (629 м р) светом примерно одинаковой интен-
сивности, периодичность роения возникает так же, как и в случае подсветки
белым светом.
Из описанных выше экспериментов следует, что периодические изме-
нения светового режима действуют как внешний датчик времени для начала
метаморфоза и роения гетеронереисов. Эффективным оказался слабый
свет, имитирующий свет полной Луны в ясные или малооблачные ночи.
Поэтому можно предположить, что в естественных условиях на развитие
червей влияют периодические изменения ночного освещения, определяемые
Фиг. 4. Влияние относительного
укорочения длительности освещения.
А — смена режима СТ 18:6 режимом СС;
Б — смена режима СТ 12 ; 12 режимом
СТ18 : 6.
Фиг. 3. Распределение роящихся
нереисов в опыте с инвертированны-
ми световыми циклами.
А — 20 суток СТ 12 : 12 и 10 суток СС; Б—
10 суток СТ 12 : 12 и 20 суток СС.
Фиг. 5. Сравнение резкого (Л) и
плавного (Б) изменения длительности
освещения при 28-суточном световом
цикле.
Стрелка указывает приблизительное поло-
жение датчика времени в случае плавного
укорочения освещения иа 1 час в сутки.
Положение стрелки определено в результа-
те совмещения максимумов роения в обо-
их экспериментах.
Фиг. 6. Опыт с дополнительной сла-
бой подсветкой (0,02—0,1 лк) в ноч-
ные часы в период между 25- и 30-ми
сутками (Л) и контрольный опыт без
дополнительной подсветки в ночные
часы (Б).
В обоих экспериментах в течение 12 час
производится освещение с интенсивностью
20—120 лк.
686
К. Хауэншильд
сменой фаз Луны. Другими словами, роение гетеронереисов во время опре-
деленных фаз Луны индуцируется самим лунным светом. Таким образом,
это фотопериодический эффект.
Теперь встает новый вопрос: вызывается ли наблюдаемое периодиче-
ское роение Platynereis только внешними воздействиями (тогда оно должно
немедленно исчезать, если внешнее воздействие снимается), или существует
эндогенный ритм роения с периодом около 30 суток? Во втором случае
роль внешнего датчика времени сводится лишь к синхронизации эндогенных
Фиг. 7. Четыре опыта с эндогенными ритмами роения.
Одно деление по оси абсцисс соответствует 10 суткам. Над каждой диаграммой — интервал между
центрами последовательных периодов роения. Опыты Б — Г проходили одновременно. А — 4
СС-периода по 6 суток в 30-суточном режиме, затем постоянно СТ 12 : 12; Б — 3 СС-периода
по 7 суток в 28-суточном режиме, затем постоянно СТ 16 : 8; В — то же, что в опыте Б, но СС-
период повторен только 2 раза; Г — 6 СС-периодов по 7 суток в 21-суточном режиме, затем по-
стоянно СТ 16 : 18.
ритмов отдельных особей популяции. Если только синхронность фаз достиг-
нута, в популяции будет возникать периодическое роение. Вторая гипотеза
основана на следующем наблюдении: если в естественных условиях
Луны некоторое время не видно из-за облачности, периодичность роения
не утрачивается. Для Platynereis этот вопрос был проверен экспери-
ментально.
Опыт был поставлен следующим образом. Неполовозрелые черви были
вначале подвергнуты действию различных световых циклов (фиг. 7), а затем
их содержали в условиях постоянного одинакового чередования света
и темноты, так что начиная с этого момента роение гетеронереисов не могло
вызываться прямым воздействием внешнего датчика времени. Результаты
этих опытов доказывают существование эндогенных ритмов роения.
Лунные ритмы
687
взяты на более поздних стадиях
В каждом случае за последним роением, индуцированным последним СС-пе-
риодом, следует по крайней мере одно роение, которое не индуцируется пря-
мым внешним воздействием, но тем не менее появляется именно в то время,
в которое оно появилось бы при продолжении светового цикла. В разных
опытах длительность сохранения ритма различна. В одном случае (фиг. 7, А)
когда животные подвергались влиянию светового цикла сразу после вылуп-
ления, периодичность наблюдалась в течение всего опыта (4 месяца). В дру-
гом опыте (7, Б), в котором черви были
развития, мы наблюдали только одно
роение, соответствующее по величине
пика и времени первому, индуцирован-
ному роению. Все последующее время
роение шло беспорядочно, т. е. эндоген-
ный ритм затухал.
Интересно, что, как оказалось, час-
тота ритмов роения в отличие от циркад-
ных ритмов не является наследственно
закрепленным признаком, а определяет-
ся или изменяется режимом внешнего
освещения. Если животных подвергали
непрерывному освещению каждые 28—
30 суток (фиг. 7, А—В) и затем содер-
жали в постоянных СТ-условиях, то
средний интервал между периодами
интенсивного роения был равен 33 сут-
кам, т. е. был заметно длиннее, чем
в том случае, если интервал между
периодами .непрерывного освещения со-
ставлял только 21 сутки (7, Г). В этом
случае интенсивное роение наблюдалось
в среднем каждые 25 суток. Максимумы
роения в описанных выше экспериментах,
которые были проведены одновременно
(фиг. 7, Б—Г), не совпадают во времени.
Это означает, что никакие иные, неиз-
вестные нам, синхронизирующие внеш-
ние факторы на животных не действова-
ли. Таким образом, результаты наших
экспериментов показывают, что характер
предварительных световых циклов опре-
деляет не только фазу, но и частоту наблюдаемых впоследствии эндогенных
ритмов. Для циркадных ритмов известен только один пример подобного
рода —у Hydrodictyon [8].
Интересные выводы можно сделать, сравнив результаты опытов, в ко-
торых применялся 21-суточный цикл освещения (2 недели СТ 16 : 8 + 1
неделя СС), с опытами при 28-суточном цикле, если данные для 4-й не-
дели второй группы опытов перенести на 1-ю неделю (фиг. 8). Картины
в обоих случаях оказываются сходными даже в деталях. Таким образом,
создается впечатление, что при 21-суточном цикле эндогенный ритм не
ускоряется во всех фазах, а как бы обрубается в конце, становится ко-
роче и новый цикл начинается в конце СС-периода.
Периодичность роения можно сохранить в течение длительного вре-
мени, если для синхронизации эндогенных ритмов отдельных особей
Фиг. 8. Распределение роения при
28-суточном (Л) и 21-суточном (Б)
циклах освещения.
Диаграмма А — та же, что и на фиг. 5 А,
только данные по роению на 22—28-е
сутки (участок, отделенный пунктирной
линией) перенесены на 1—7-е сутки (пре-
рывистые столбики).
688
К.. Хауэншильд
подвергать животных каждые 2—3 месяца непрерывному освещению. В опыте
оказывается достаточной двухдневная длительность непрерывного освещения.
В естественных условиях такое воздействие оказывает лунный свет в пол-
нолуние. Если датчик времени отсутствует более 2—3 месяцев, фазы разви-
тия отдельных особей сдвигаются в такой степени, что роение в популяции
становится все менее и менее периодическим. Пока еще не ясно, сохраняется
ли способность к проявлению индивидуальных эндогенных ритмов неопре-
деленно долго или она в конце концов исчезнет, если ее время от времени
не стимулировать извне.
Теперь можно задать вопрос: какова физиологическая основа эндогенных
ритмов с такими большими периодами? Концепция одноосцилляторной
системы, предлагавшаяся для объяснения циркадных ритмов, вряд ли
может объяснить периодичность, существующую не часы, а многие недели.
Фиг 9. Распределение роения при 231/4-часовых сутках.
На этой диаграмме одно деление иа оси абсцисс соответствует 231/4 час.
Цикл освещения, продолжающийся 31 сутки, состоит из 25 укороченных
«суток» с режимом освещения CT 151/4: 8 и 7 суток той же длины, в которые,
помимо освещения лампой 15 вт в течение 151/4 час, давалась слабая под-
светка лампой 3 вт в течение 8 час.
Среди морских беспозвоночных животных можно найти целый ряд приме-
ров одновременного существования суточных и приливных (период 12,4 час)
ритмов у одного и того же организма [9]. Примером такого наложения рит-
мов могут служить результаты недавних опытов с двигательной активностью
Carcinus maenas [10]. Различие между периодами двух ритмов выражается
в медленном смещении одного ритма относительно другого, в процессе
которого некоторые фазы, например максимумы, совпадают регулярно
каждые 15 суток. В эти моменты наблюдается особенно большой пик актив-
ности. Возможно, на этой основе можно объяснить многие ритмы с перио-
дом около 15 суток, например ритм вылупления Clunio. Таким образом,
для объяснения такой периодичности нет необходимости предполагать суще-
ствование каких-то специальных эндогенных ритмов с 15-суточным перио-
дом, поскольку такая периодичность возникает просто в результате нало-
жения двух эндогенных ритмов — солнечного и лунного.
В отличие от Carcinus у Platynereis и многих других организмов лунные
периодические процессы имеют только один максимум в каждый лунный
месяц. Поэтому вопрос о применимости в данном случае предложенного
выше объяснения остается открытым. Для объяснения существования
30-суточных ритмов можно было бы предположить наложение 24-часового
ритма и какого-то гипотетического 24,8-часового ритма, т. е. двойного
Л унные ритмы
689
приливного ритма. Но это предположение неприменимо для Platynereis
в силу значительной вариабельности эндогенных периодов. Действительно,
распределение числа роящихся гетеронереисов, содержавшихся постоянно
в условиях 231/4-часовых суток, было таким же, как и при нормальных
24-часовых сутках (фиг. 9). Учащение максимумов роения в этом случае
не наблюдалось; вместе с тем его можно было бы ожидать, если бы сущест-
вовал эндогенный 24,8-часовой ритм, так как в этом эксперименте удвоен-
ный сдвиг фазы между суточным и гипотетическим ритмом вызывал бы
в каждый цикл освещения два совпадения, а не одно и, следовательно,.
Фиг. 10. Фронтальный срез толщиной 7 ц через простомиум Platynereis (окрашива-
ние по Гомори — Халми — Даусону; перерисовано).
1 и 2 — левые передний и задний глаза; 3 — ядра ганглиозных клеток; 4 — перегородка между
простомиумом и перистомиумом; 5 — секреторные клетки, окрашенные в красный цвет паральде-
гидфуксином; 6 — район нухального органа; 7 — правый задний глаз; 8 — нейропиль мозга.
максимум роения появлялся бы каждые 15 суток, а не каждые 30. Таким
образом у Platynereis, как и в других сходных случаях, эндогенный ритм
с периодом 30 суток до сих пор остается необъясненным.
С физиологической точки зрения лунная периодичность у Platynereis
как, вероятно, и у других Metazoa, имеет гормональную природу. В про-
стомиуме многощетинковых Annelides за мозгом лежат секреторные клетки,
вырабатывающие гормон, тормозящий созревание половых клеток и пре-
вращение червя в гетеронереидную форму (фиг. 10) [11, 12]. Если просто-
миум удалить, половые клетки быстро, за очень короткое время созревают.
Наряду с этим начинается широкая перестройка всех морфологических
и физиологических признаков, которая в норме идет много позже, во время
метаморфоза. Но если простомиум удалить и немедленно поместить его
'690
/С. Хауэншильд
в целом, он осуществляет тормозящее действие так же, как если бы он
оставался на своем обычном месте, и никаких перестроек, протекающих
у червей с удаленным мозгом, не происходит [13, 14]. Можно, следователь-
но, предположить, что нормальный метаморфоз в гетеронереидную форму
начинается тогда, когда гормональное торможение выражено слабо. Это
торможение может осуществляться либо в результате действия одного
только секрета простомиума, либо в результате взаимодействия этого
секрета с гормоном, оказывающим противоположное действие (возможно,
такой гормон вырабатывается в половых клетках). Так или иначе, время
роения определяется гормональным режимом.
В ходе длительного наблюдения за секреторными клетками в просто-
миуме живых Platynereis было обнаружено, что в клетках периодически,
синхронно с 30-суточным циклом освещения накапливается фуксинполо-
жительное вещество [12]. Это позволяет предположить, что активность
секреторных клеток простомиума периодически меняется. Если это так,
то эндогенные гормональные ритмы, определяющие периодичность роения,
можно распознать в каждом индивидууме задолго до роения. Эксперимен-
тально эта гипотеза пока не проверена. Для этого необходимо найти про-
цессы, которые могут в течение длительного времени регистрироваться
у отдельных особей и которые изменяются синхронно с изменением интен-
сивности света и секреции простомиума. Мы полагаем, что такой метод
позволит осуществить физиологический анализ лунных ритмов роения
у Platynereis.
У нас до сих пор нет экспериментальных работ по лунной периодике,
которые давали бы возможность сравнения. Подобные работы очень жела-
тельны. Но приведенные нами данные во всяком случае выводят проблему
из области мистики, в которой она находилась всего одно-два десятилетия
назад, и ставят ее на прочную экспериментальную базу.
ЛИТЕРАТУРА
1. Friedlander В., Uber den sogenannten Palolowurm, Biol. ZbL, 18, 10
(1898).
2. Clark L. B., Observations on the Atlantic Palolo, Yearbook Carnegie Inst. Wash..
37, 1938.
3. Caspers H., Rhythmische Erscheinungen in der Fortpflanzung von Clunio maru-
nus und das Problem der lunaren Periodizitat bei Organismen, Arch. Hydrobiol.
Suppl. Bd., 18, 415 (1951).
4. Hartland-Rowe R., The biology of a tropical mayfly Povilla adusta with
special reference to the lunar rhythm of emergence, Rev. Zool. et Botan. Afric.,
58, 185 (1958).
5. О k a H., Hashimoto H., Lunare Periodizitat in der Fortpflanzung einer
pazifischen Art von Clunio, Biol. ZbL, 78, 545 (1959).
6. Hauenschild C., Neue experimentelle Untersuchungen zum Problem der
Lunarperiodizitat, Naturwiss., 43, 361 (1956).
7. H a u e n s c h i 1 d C., Unpublished.
8. Pirson A., Schon W. J., Versuche zur Analyse der Stoffwechselperiodik bei
Hydrodictyon, Flora, 144, 447 (1957).
9. Brown F. A., Fingerman M., Webb H. M., Sandeen M. I., Persistent
diurnal and tidal rhythms of cobor change in the fiddler crab Uca pugnax, J. Exp.
Zool., 123, 29 (1953).
Лунные ритмы 691
10. Naylor Е., Tidal and diurnal rhythms of locomotory activity in Carcinus maenas,
J. Exp. Biol., 35, 602 (1958).
11. S c h а г г e r B., Uber Driisennervenzellen im Gehirn von Nereis virens Zool. Anz.,
113, 299 (1936).
12. H a u e n s c h i 1 d C., Zyklische Veranderungen an den inkretorischen Driisenzellen
im Prostomium des Polychaeten Platynereis dumerilii als Grundlage der Schwarmpe-
riodizitat, Z. f. Naturforschg., 14/b, 81 (1959).
13. Durchon M., Recherches experimentales sur deux espects de la reproduction
chez les annelides polychaetes, L’epitoquie et la stolonisation, Ann. Sci. Nat. Zool.,
14, 117 (1952).
14. H a u e n s c h i 1 d C., Hormonale Hemmung der Geschlechtsreife und Metamor-
phose bei dem Polychaeten Platynereis dumerilii, Z. f. Naturforschg., 11/b, 125
(1956).
Weitere Versuche zur Frage des Juveniihormons bei Platynereis, Z. f. Naturforschg.,
11/b, 610.
СОДЕРЖАНИЕ
Предисловие к русскому изданию ...................................... 5
Э. Б ю н н и н г. Биологические часы. Перевод В. В. Гречко.......... 11
Общие свойства циркадных ритмов
Ю. Ашофф. Экзогенные и эндогенные компоненты циркадных ритмов.
Перевод А. Г. Маленкова ....................................... 27
В. Брюс. Влияние периодических внешних воздействий на частоту и фазу
циркадных ритмов. Перевод А. Г. Маленкова ..................... 60
П. де Курси. Сдвиг фазы ритма активности у грызунов под влиянием
внешних синхронизирующих факторов. Перевод А. Г. Маленкова ... 91
Ф. Браун. Геофизические факторы и проблема биологических часов. Пере-
вод А. Г. Маленкова ............................................... 103
Д. Мерсер. Аналитические методы исследования периодических процес-
сов, замаскированных случайными флуктуациями. Перевод И. Л. Ли-
совской ...................................................... 126
Б. Суини, Дж. Гастингс. Влияние температуры на суточные ритмы.
Перевод А. Г. Маленкова....................................... 153
К. Р а у с о н. Влияние температуры тела на ритмы активности млекопитаю-
щих. Перевод И. А. Ляпуновой.................................. 182
М. Уилкинс'. Влияние света на ритмы растений. Перевод М. В. Георгадзе 196
Метаболические аспекты циркадных ритмов
Дж. Гастингс. Биохимические аспекты ритмов: сдвиг фазы, вызываемый
химическими соединениями. Перевод М. В. Георгадзе ............ 220
Б. Суини. Ритм фотосинтеза в одиночных клетках Gonyaulax polyedra.
Перевод И. Л. Лисовской....................................... 240
Ч. Э р е т. Спектры действия и метаболизм нуклеиновых кислот в клетках,
способных к циркадной ритмичности. Перевод М. В. Георгадзе .... 247
Модели биологических ритмов
К. Питтендрай. Циркадные ритмы и циркадная организация живых
систем. Перевод В. В. Борисова................................ 263
К. Клоттер. Общие свойства колебательных систем. Перевод И. Л. Ли-
совской ...................................................... 307
Содержание
693
К. Клоттер. Теоретический анализ некоторых биологических моделей.
Перевод Г. Г. Маленкова .......................................... 312
Р. В е в е р. Применение электронной модели для анализа фазовой синхро-
низации ритмов. Перевод В. В. Борисова ................................ 325
О. Шмитт. Биофизические и математические модели циркадных ритмов.
Перевод В. В. Борисова ................................................ 343
Г. Калмус, Л. У и г г л су о р с. Системы с ударным возбуждением как
модели биологических ритмов. Перевод В. В. Борисова .............. 350
Ч. Э р е т, Дж. Барлоу. На пути к созданию модели биологических
часов, близкой к живым системам. Перевод В. В. Борисова ............... 360
Циркадные ритмы в фото- и термопериодизме
Ф. В е н т. Термо- и фотопериодические явления, связанные с ростом расте-
ний. Перевод Н. А. Ляпуновой .......................................... 366
X. X а й к и н. Влияние постоянной температуры и непрерывного освеще-
ния на рост и развитие гороха. Перевод Г. Г. Маленкова ........... 381
Б. Ш в е м м л е. Термопериодические эффекты, циркадные ритмы и цвете-
ние растений. Перевод Г. Г. Маленкова ............................ 393
С. Хендрикс. Скорость превращения фитохрома как основной фактор,
определяющий фотопериодическую реакцию растений. Перевод М. В. Ге-
оргадзе ............................................................... 403
Э. Бюннинг. Суточные ритмы и измерение времени при фотопериодиче-
ских реакциях. Перевод Н. А. Ляпуновой................................. 409
Р. Б ю н з о в. Циркадный ритм фотопериодической реактивности Kalanchoe.
Перевод И. Л. Лисовской ............................................... 422
А. Лис. Некоторые аспекты проблемы фотопериодизма у животных. Пере-
вод В. В. Гречко....................................................... 430
К. Хамнер. Фотопериодизм и циркадные ритмы. Перевод В. В. Борисова 444
Циркадные ритмы физиологических процессов у животных
Ж. Харкер. Влияние эндокринных и нервных факторов на циркадные
ритмы насекомых. Перевод В. В. Борисова........................... 460
Ф. X а л б е р г. Временная координация физиологических функций. Пере-
вод В. В. Борисова ............................................... 475
Т. Хельбрюгге. Развитие циркадных ритмов у детей. Перевод
В. В. Гречко ................................'......................... 510
М. Л о б б а н. Затягивание циркадных ритмов у человека. Перевод
В. В. Гречко .......................................................... 531
С. Мор и. Влияние внешних условий и физиологических факторов на
суточную ритмическую активность морского пера. Перевод
Н. А. Ляпуновой ........................................................ 545
Экологические аспекты циркадных ритмов
Дж. К л аудс л и-Т о м п с о н. Приспособительное значение циркад-
ных ритмов. Перевод В. В. Борисова..................................... 564
Ф. Корбет. Циркадные ритмы у насекомых. Перевод В. В. Борисова . . 582
М. Реннер. Изучение чувства времени у животных и ориентации их по
солнцу на примере медоносной пчелы. Перевод В. В. Борисова .... 589
694
Содержание
Ориентация по небесным ориентирам с поправкой на время
М. Линдауэр. Способность пчел ориентироваться по солнцу с поправ-
кой на время. Перевод В. В. Гречко ................. 601
Ж. Бирюков. Роль врожденных часовых систем в ориентации насекомых.
Перевод И. Л. Лисовской ........................ 613
А. Хаслер, X. Швассман. Ориентация рыб по солнцу на различных
широтах. Перевод М. В. Георгадзе ................. 630
Э. Дж. Зауэр, Э. М. Зауэр. Навигация по звездам у птиц, совер-
шающих ночные перелеты. Перевод В. В. Борисова . 648
Ритмы с особо длинными периодами
М. фингерман. Приливные ритмы у морских организмов. Перевод
Н. А. Ляпуновой ......................... 667
К Хауэншильд. Лунные ритмы. Перевод Н. А. Ляпуновой. 682
ОПЕЧАТКИ
Страница Строка Напечатано Следует читать
663 1-6 СВ. н 183°58',9— Миграционный 187°44',5 о 145°08',6— конфликт 156°40',5 То же п 142°37',1— Переход 146°О7',7 р 172°42',1 к дезориента- ции с 115°03',7— Дезориентация 126°35,,5 н 115°03',7— Миграционный 126°35',5 конфликт о 145°08' ,6— То же 156°40',5 п 142°37',1— » » 146°07',7 р 172°42',1 Переход к дезо- риентации с 183°58',9— Дезориентация 187э44',5
Зак. 114.
БИОЛОГИЧЕСКИЕ
ЧАСЫ
Редактор А. Б. Левина
Художник Б. И. Астафьев
Художественный редактор Н. В. Зотова
Технический редактор Е. С. Потапенкова
Корректор Н. Г. Янова
Сдано в производство 10/Ш 1964 г.
Подписано в печать 11/VII 1964 г.
Бумага 70x1081/16=21,8 бум. л.
59,6 печ. л.
Уч.-изд. л. 53,3. Изд. № 4/1796.
Цена 3 р. 60 к. Зак. 114
ИЗДАТЕЛЬСТВО «МИР»
Москва, 1-й Рижский пер., 2
Московская типография № 16
Главполиграфпрома
Государственного комитета
Совета Министров СССР по печати.
Москва, Трехпрудный пер., д. 9