Вы никогда не задумывались, почему цветки тюльпана раскрываются днем и прячут свои лепестки ночью? Или почему сакура цветет в строго отведенное ей время? За последние две тысячи лет предлагалось много гипотез. Казалось, что на цветение влияют колебания влажности, продолжительность светового времени суток, изменения температуры и даже содержания газов в воздухе.
В последнем номере журнала Science опубликована работа, проливающая свет на механизм циркадных (циркадианных) ритмов. Ответить на этот фундаментальный вопрос помог любимец генетиков Arabidopsis thaliana, ставший в биологии своеобразной «дрозофиллой Моргана» последнего десятилетия.
Если у простейших удалось найти «внутренние биологические часы», не зависящие от факторов окружающей среды, то у растений пока удалось обнаружить только циклы, регулируемые солнечным светом.
Независимые исследования двух групп ученых из исследовательского института имени Скриппса, Йельского университета в США и Мадридского национального центра показали фотопериодичность работы трех генов — CO, FKF1 и GI. Раньше было известно о роли гена CONSTANS (CO) в определении времени цветения, но ученым не удавалось выяснить пусковой механизм в его работе. Оказалось, что для синтеза соответствующего белка гену СО необходимы два «компаньона» — FKF1 и GI.
Выявленный механизм оказался примитивно простым — под действием синей части спектра солнечного света белки-продукты генов FKF1 и GI связываются друг с другом и запускают работу гена CO.
Исследователи симулировали «короткий, зимний» (8 часов света и 16 часов темноты) и «длинный, летний» (16 часов света и 8 часов темноты) дни. Выяснилось, что синтез белка CO запускается через 4 часа после начала освещения и останавливается в темноте. Поскольку синтезированный белок за ночь разрушается, то необходимая для цветения концентрация достигается лишь в условиях «долгого» летнего дня.
Выяснив, что ключевую роль в этом играет взаимодействие FKF1-GI, Марико Сава и Дмитрий Нусинов занялись исследованием этого комплекса. В этом взаимодействии ген FGF1 играет роль своеобразного фоторецептора, изменяющего свое функциональное состояние в зависимости от освещения. Его активность зависит от синей части спектра видимого света, которой достаточно даже в самый облачный день.
или биоритмология - раздел биологии, изучающий условия возникновения, природу, закономерности и значение биологических ритмов. Хронобиология исследует ритмические процессы на различных уровнях организации живого: бесклеточные системы, клетка, одноклеточные организмы, культуры клеток и тканей, многоклеточные животные и растения, популяции организмов. Как область биологии хронобиология разрабатывает законы осуществления периодически повторяющихся биологических процессов и поведения различных биологических систем во времени; она тесно связана с физиологией, биохимией, биофизикой и другими естественными науками.
Биологические ритмы широко распространены в живой природе, имеют эндогенное происхождение и большинство из них зависят от ритмических изменений во внешней среде (фото-, термо-, баропериодичность, колебания электромагнитного поля Земли и так далее), хотя некоторые ритмы, по-видимому, автономны. Взаимодействие биологических ритмов друг с другом и с периодически изменяющимися условиями среды формирует временную организацию биологических систем, лежит в основе адаптации организмов и обеспечивает единство живой и неживой природы.
Идеи о ритмичном характере процессов в природе и в организме человека выдвигались в трудах античных философов (Гераклит, Платон, Аристотель), в средние века и эпоху Возрождения (Фрэнсис Бэкон, Тихо Браге, Иоганн Кеплер). Первое научное наблюдение биоритмов сделал французский астроном де Меран (1729), обнаруживший суточную периодичность движения листьев у растений. Это явление затем изучали Чарльз Дарвин (1880) и ряд ботаников XIX века. Ещё веком раньше Карл Линней предложил «цветочные часы», основанные на способности цветков различных растений открываться и закрываться в определённое время дня.
Франц Халберг в 1959 году сформулировал понятие об околосуточных или циркадных ритмах и дал представление о временной координации физиологических функций организма. Его заслугой является введение в хронобиологию математических методов обработки данных и использование в этих целях ЭВМ. Им было установлена изменение чувствительности организма к действию вредных факторов в зависимости от времени суток.
Пока не ясно, является ли участие именно трёх компонентов в работе биологических часов универсальным свойством жизни. Возможно, это лишь минимально необходимое для функционирования подобного механизма число, а в более сложных «часах» наука ещё просто не успела разобраться. Так или иначе, жизнь сложных организмов регулирует огромное число различных ритмов, а исследования их молекулярных основ только начинаются.
