Навигационные способности птиц

 

Открытие способности птиц ориентироваться по солнцу изумило ученых, но то, что во время ночных пролетов птицы ориентируются по звездам, буквально потрясло их. Это было доказано через несколько лет после открытия Крамера молодыми исследователями из Фрейбургского университета (ФРГ) Францем Зауэром и его женой Элеонорой.

Вскоре после защиты в 1953 году диссертации по зоологии Франц Зауэр заинтересовался проблемами поведения животных, особенно тем, как влияют на их поведение условия окружающей среды. И он продолжает во Фрейбурге работу над второй диссертацией, специализируясь на этот раз в области этологии. Одной из первых проблем, решению которой они с женой отдали много сил и терпения, была проблема общения в мире животных, и в частности проблема обучения пению молодых птиц.

В начале 50-х годов мнения ученых по этому вопросу расходились. Многие считали, что птицы обучаются пению, подражая старшим и более опытным сородичам. Рабочая гипотеза Зауэров сводилась к тому, что птицам не нужно учиться петь, что поют они благодаря врожденной способности, которая не зависит от того, есть ли вокруг них хорошие певцы или нет.

Проверить эту гипотезу Зауэры решили на европейских славках с их очень характерной песней. В соответствии с требованиями эксперимента им приходилось выращивать своих славок в условиях полной изоляции, в звуконепроницаемом помещении, так чтобы в течение всей своей жизни их питомцы не слышали ни одной птичьей песни.

Как будут вести себя эти изолированные от мира птицы, когда они вырастут и будут готовы обзавестись семьей? Запоет ли взрослый самец свою песню, которая объявит всем, что он занял определенную территорию и готов создать семью? И запоет ли он вообще?

Результатов своего эксперимента Зауэрам пришлось ждать долго. Наконец, в один прекрасный день исследователи возликовали — их тяжкие труды не пропали даром. Птица запела!

Она пела, хотя никогда за всю свою жизнь не слышала пения. Потом запел еще один выращенный в полной изоляции самец, потом другой, третий. Хотя это пение и нельзя было назвать совершенным, но в нем ясно проступала мелодия, которую славки обычно поют в это время года. Итак, гипотеза была подтверждена экспериментом.

Изучение миграций птиц позволило установить один очень важный факт: многие птицы ежегодно совершают перелеты за сотни и тысячи километров по определенному, только им свойственному маршруту. Сбившиеся с пути или искусственно удаленные от пролетных путей птицы находят дорогу к местам, через которые проходит их миграция, и продолжают перелет по своему обычному маршруту.

Эксперименты Крамера положили начало изучению способов ориентации птиц. Было обнаружено, что днем птицы ориентируются, сопоставляя положение солнца со временем, которое показывают их внутренние часы. Однако многие птицы мигрируют ночью. Европейские славки, с которыми экспериментировали Зауэры, принадлежали именно к таким видам. Если птицы ориентируются днем по солнцу (а Зауэры обнаружили, что и славки могут это делать), то почему бы им ночью не ориентироваться по звездам?

Так начались продолжительные и напряженные исследования, ставящие перед собой цель — выяснить, как славки ориентируются в полете. Повсюду в Европе эти мелкие певчие птицы весной выводят птенцов и в течение лета благополучно кормятся днем на кустах бузины и ежевики. Но в одну из августовских ночей вся местная популяция данного вида исчезает: начинается осенний перелет. На следующее утро новая группа прибывает из более северного района, с тем чтобы через несколько дней отбыть в южном направлении. Сначала полностью исчезают садовые славки, затем серые, за ними следуют славки-завирушки и наконец славки-черноголовки.

Мелкие птицы, отличающиеся более интенсивным обменом веществ, расходуют свои запасы энергии в полете быстрее, чем крупные. Поэтому они вынуждены так же быстро и эффективно возобновлять их, а это легче всего сделать днем. Кроме того, ночью меньше отвлекающих факторов и птицам легче преодолевать большие расстояния.

Куда же отправляются славки на зиму? Метод кольцевания птиц позволил ответить на этот вопрос. Обычно славки улетают в различные районы Африки. Например, славка-завирушка зимует в центральной части Африки, между 10° и 50° восточной долготы. Славки, летящие из Скандинавии в Южную Африку, проделывают треть кругосветного путешествия. Весной их опять охватывает перелетное беспокойство, какое-то внутреннее чувство смены времени года заставляет их готовиться к обратному перелету на север.

«Самое замечательное, — пишет Зауэр, — заключается в том, что каждая птица сама находит путь к месту назначения! Славки не следуют за вожаком и не путешествуют группой. Они летят в одиночку. И молодые птицы, впервые проделывающие свой перелет, добираются до цели столь же уверенно, как и их опытные сородичи. Каким-то образом, чисто инстинктивно, славки прокладывают нужный курс».

Мы уже знаем о совершенно поразительных примерах перелетов, которые демонстрируют полярная крачка и новозеландская бронзовая кукушка.

Что же тогда удивительного в способности птиц возвращаться к своему «дому»! В. Рюппель увозил скворцов от их гнезд в окрестностях Берлина в самых различных направлениях на расстояние до двух тысяч километров. После того как их выпускали, скворцы находили дорогу домой! Дж. Мэтьюз переправил обыкновенного буревестника на самолете с западного побережья Англии в Бостон и там выпустил его. А спустя 12 дней буревестник был найден у своего гнезда! Он летел домой через Атлантический океан, преодолевая по четыреста километров в день.

 

Рис. 40. Схема планетария и экспериментальной клетки. & #945; и & #223; — углы, определяющие поле зрения птицы с двух концов жердочки; направление, в котором повернута голова птицы, считалось направлением полета.

 

Этим невероятным подвигам предлагались самые разные объяснения: и то, что птицы могут чувствовать изменения теплового излучения или магнитного поля Земли, и то, что они способны улавливать изменения сил Кориолиса. Но рано или поздно все эти объяснения отвергались.

Тогда почему же не принять в качестве рабочей гипотезы предположение о существовании у птиц своего рода инстинктивной способности к навигации, возможно, даже похожей на применение человеком компаса, секстанта и хронометра?

В своих первых экспериментах Зауэры использовали круглую клетку со стеклянным верхом, так что славки могли видеть лишь круглый участок неба, находящийся под углом зрения примерно 70°, но не видели никаких наземных ориентиров. Способом, очень похожим на тот, который использовал Крамер в опытах со скворцами, Зауэры наблюдали за поведением славок в период их перелетного беспокойства.

Направления, выбиравшиеся птицами, всегда были очень характерными для определенного вида. Садовые и серые славки, а также славки-черноголовки осенью стремились на юго-запад. Именно в этом направлении они и совершают свои осенние перелеты: от Фрейбурга на юго-запад к Испании, далее к Гибралтару и через пролив в Африку.

А славки-завирушки летят из Фрейбурга на юго-восток через Балканы, а затем поворачивают на юг к долине Нила. В своих клетках они бились также в юго-восточном направлении. Причем не имело значения, была ли данная птица опытным навигатором, которого Зауэры изловили в кустарниках Фрейбурга, или она выросла в изолированной камере их птичника.

Приближая условия опытов к естественным, Зауэры обнаружили, что при ясном звездном небе славки иногда изменяли направление, привлеченные светом метеоров, зарниц или Луны. Если на небо набегали облака, движения птиц становились неуверенными, но, пока они могли видеть сквозь пелену облаков наиболее яркие из звезд, они продолжали указывать верное направление. Когда же облачность становилась настолько плотной, что звезды уже не были видны, птицы, беспомощно попорхав некоторое время, устраивались на ночлег. Подобная дезориентация наблюдалась и в тех случаях, когда эксперименты проводились в закрытом помещении, освещенном рассеянным или поляризованным светом.

На настоящем ночном небе Зауэры, естественно, не могли менять положение звезд по собственному желанию. Но это легко сделать в планетарии, и если славки будут принимать искусственное звездное небо за настоящее, их можно будет «перемещать» в любое место земного шара, не вывозя из Фрейбурга.

Вскоре Зауэры получили возможность воспользоваться цейссовским планетарием, с куполом, имевшим в диаметре шесть метров. Внутри планетария они поставили клетку с птицей и, как и раньше, вели наблюдения за направлением ее поворотов.

В типичном эксперименте, когда купол планетария освещался равномерно рассеянным светом, птица поворачивалась во все стороны, указывая случайные направления (рис. 41, А). Когда славке-черноголовке показали имитацию весеннего неба, она повернулась на северо-восток точно так же, как это бывает в естественных условиях (рис. 41, Б). Под осенним небом она повернулась на юго-запад, в сторону Испании (рис. 41, В). И наконец, славка-завирушка, как и ожидали, указала на юго-восток, на Балканы (рис. 41, Г ).

 

Рис. 41. Ориентация птиц под искусственным звездным небом. Сплошная линия (С) показывает истинное направление на север, а пунктирная (С1) — направление на «север» в планетарии.

 

Но главным участником экспериментов в планетарии Зауэры сделали одну славку-завирушку. Осенью птицы этого вида, как уже говорилось, летят в двух последовательных направлениях: сначала из Центральной Европы на юго-восток через Балканы, а затем в южном направлении к верховьям Нила. Поэтому славка-завирушка представляла собой идеальный объект для экспериментов в планетарии, где можно было создать звездное небо, соответствующее широте и долготе любого места.

Завирушка, которую Зауэры использовали в этих экспериментах, была выращена ими из яйца. Она никогда не покидала клетки и, уж конечно, не летала в Африку. Поэтому ее поведение должно было быть абсолютно свободным от каких-либо влияний предшествующего опыта.

Зауэры поместили эту славку-завирушку в планетарий и установили картину неба, соответствующую 48° северной широты, то есть широте Фрейбурга. В подтверждение своих предыдущих наблюдений за другими птицами этого вида под открытым небом Зауэры увидели, что завирушка повернулась в юго-восточном направлении.

 

Рис. 42. Схема осенней миграции славок-завирушек, основанная на результатах экспериментов в планетарии. Большие стрелки соответствуют преимущественным направлениям естественного перелета, маленькие стрелки представляют собой направления, выбранные птицами в планетарии: заштрихованная зона примерно указывает известную зону зимовок.

 

Затем они стали менять положение звезд на небосводе планетария, чтобы у славки создалось впечатление ее постепенного перемещения все дальше и дальше к югу. Птица продолжала придерживаться юго-восточного направления, пока не «достигла» 40° северной широты. Теперь она начала менять курс на юго-юго-восток и приблизительно на широте 15° «полетела» прямо на юг. Птица, никогда не покидавшая своей клетки, указала направление, необходимое для перелета из Фрейбурга к верховьям Нила!

Представить себе, каким образом птица определяет широту своего местоположения, по-видимому, нетрудно. Штурман для этого измеряет высоту над горизонтом или направление на какую-то определенную звезду, например Полярную. Вполне вероятно, что и птица определяет широту своего местоположения аналогичным образом.

А как же насчет долготы? Если широту умели определять по положению солнца или звезд над горизонтом еще древние греки, то хронометр, пригодный для определения долготы, появился только в 1761 году. Штурман находит свою долготу сравнением местного времени, определяемого, например, по восходу солнца, с показаниями хронометра, поставленного по гринвичскому времени.

У птицы есть точные внутренние часы, но эти часы в отличие от хронометра обычно показывают местное время, соответствующее пункту ее пребывания. Естествен вопрос, как же птица по звездам узнает долготу своего местоположения?

Чтобы выяснить это, Зауэры поворачивали созвездия вокруг Полярной звезды в соответствии с видом ночного неба на разных долготах, и следовательно, в разных временных поясах, и наблюдали направление полета, избираемое различными видами славок.

Результаты этих экспериментов резко отличались от тех четких данных, которые Зауэры получили, изменяя картины неба, соответствующие разным широтам. На изменения долготы птицы реагировали очень неуверенно, и их поведение трудно было объяснить. Поскольку правильное направление к дому определила всего одна славка, результаты Зауэров посчитали малоубедительными.

В 1965 году К. Гоффман, известный специалист по поведению птиц, писал: «Чтобы выяснить состояние проблемы и более четко понять роль внутренних часов, необходимо, по-видимому, провести более разносторонние эксперименты в условиях планетария, включая и эксперименты с птицами, внутренние часы которых были бы (искусственно) переведены. Насколько мне известно, такие эксперименты не проводились».

До тех пор, пока биологи не выяснят, могут ли птицы воспринимать географическую долготу своего местоположения (и если могут, то как они пользуются этим для определения направления полета), наше понимание этого вопроса будет оставаться на уровне 1960 года.

 

Часы таракана

 

В июне 1960 года в Колд-Спринг-Харборе состоялся Международный симпозиум, посвященный биологическим часам, на который съехались сто пятьдесят ученых из самых разных стран. С трибуны этого симпозиума в числе прочих ученых рассказала о своей работе и Дженит Хар-кер, сотрудник Кембриджского университета.

Твердым и ясным голосом Харкер начала свой доклад: «Современные исследования проблемы циркадных ритмов можно разделить на три группы: биохимические и биофизические исследования регулирующего механизма на клеточном уровне, изучение поведения организма в целом и, наконец, физиологические исследования, цель которых состоит в том, чтобы выяснить, каким образом клеточная ритмичность проявляется в поведении всего организма. Благодаря этой последней группе исследований мы начинаем в какой-то мере представлять себе, насколько сложными могут быть эндогенные регулирующие системы. Так, например, среди изучаемых взаимосвязанных процессов встретились такие, которые сами никакой ритмичностью не обладают и тем не менее существенны для ритмичного функционирования определенных 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 насекомых была впервые установлена на тараканах Periplaneta americana…».

Дженит Харкер родилась и выросла в Австралии. После окончания Сиднейского университета она переехала в Англию, сначала в Манчестерский университет, а затем в Кембридж.

Несмотря на большую загруженность преподавательскими и административными обязанностями, у Харкер хватало энергии заниматься и исследованиями биологических часов. После долгого чрезвычайно трудного подготовительного периода она разработала очень сложный метод, в основе которого лежали тончайшие хирургические операции, проводившиеся на тараканах.

Но почему она остановила свой выбор на Periplaneta americana, на самом обычном американском таракане, а не на каком-либо другом живом организме? Ведь легко наблюдаемыми ритмами обладают многие растения и животные.

Харкер выбрала таракана по ряду причин. Прежде всего, двигательная активность таракана очень точно приурочена к определенному времени. Это ночное животное, которое начинает двигаться почти сразу же после наступления темноты. При постоянном содержании в условиях чередования 12 часов света и 12 часов темноты тараканы начинают бегать уже через несколько минут после выключения света. Их двигательная активность достигает максимума примерно через два часа, а затем спустя три-четыре часа животные успокаиваются и пребывают в покое всю остальную часть периода темноты и 12-часовой период света.

Если тараканов содержать в течение нескольких дней при непрерывном освещении, их реакция ничем не будет отличаться от того, что двумя столетиями ранее наблюдал у чувствительных растений де Мэран. Тараканы знают, когда должна была бы наступить темнота, и начинают бегать, хотя свет остается включенным. Лишь после продолжительного периода непрерывного освещения они постепенно теряют чувство времени и проявляют активность в совершенно неопределенное время. Поскольку такая двигательная активность может служить в качестве удобно наблюдаемых «стрелок» внутренних часов, таракан представляет собой исключительно подходящее для изучения ритмов животное. Он точно соблюдает 24-часовой цикл двигательной активности, сохраняет эту активность в течение нескольких дней при нарушении условий освещения и медленно утрачивает свой ритм при длительном непрерывном освещении (становится «аритмичным»).

Как подопытное животное таракан хорош еще и по другим причинам. Он легко переносит лабораторные условия жизни; имеет достаточно большие размеры; неприхотлив в еде — может питаться практически чем угодно. И наконец, он является одним из примитивных ныне живущих крылатых насекомых. Отдельные части его относительно слабо развитой центральной нервной системы обладают значительной автономией. Обезглавленный таракан может прожить несколько дней. Он, конечно, не видит, не ест, запасы его энергии постепенно расходуются, но он продолжает бегать, спариваться, представляя таким образом, весьма любопытный объект для тех, кого интересуют различные аспекты его «безголового поведения».

Таково существо, на котором Харкер сделала свое первое открытие — определила точное местоположение живых часов. Давайте послушаем, что она сама говорит о своем открытии:

«Из ранее проведенных мною экспериментов, — объясняет она, — я знала, что ритм двигательной активности таракана зависит от присутствия в крови или тканях животного некоторого секрета. Задача сводилась к тому, чтобы проследить, откуда поступает этот секрет. Удаляя один за другим все известные эндокринные органы и проверяя, не остановятся ли при этом часы, я наконец — после года напряженной работы — выявила источник секрета. Им оказался подглоточный ганглий».

Все насекомые имеют два «мозга»-ганглия, состоящих из комочка нервных клеток. Один из них находится в над-ротовой части головы, а второй лежит под пищеводом, потому и называется «подглоточным» ганглием. Он-то как раз и управляет самым непосредственным образом активностью насекомого[16]. Размер этого органа с булавочную головку, поэтому удалить его можно только под микроскопом.

 

Рис. 43. Поперечный разрез подглоточного ганглия таракана. Видны четыре нейросекреторные клетки (1), связанные с ритмом двигательной активности.

 

«Я потратила почти три года на прижигание мельчайших участков подглоточного ганглия высокочастотным каутером, пока не нашла наконец четыре нейросекреторных клетки, которые играют важную роль в поддержании ритма двигательной активности[17].

Поскольку эндокринные органы можно пересаживать в кровоток других тараканов, я смогла убедиться, что эти клетки действительно ответственны за выделение гормона в определенные промежутки времени. Сохранение тараканами ритмики не зависело от целостности нервных связей».

Теперь она знала, где находятся у таракана его часы. Но что заставляет их работать? Можно ли приписать этим клеткам роль механизма, регулирующего ход ритма?

Один из способов узнать, как работает тот или иной механизм, заключается в том, чтобы разрегулировать его и посмотреть, что из этого выйдет. Но живые часы трудно разрегулировать. Необходимо найти физиологический способ нарушения их ритма.

Оставалось подвергнуть животное одновременному действию двух часов, не совпадающих друг с другом по фазе. Это должно было, по мнению Харкер, оказать на животное такое действие, как если бы его часы заработали неверно. Эксперимент был исключительно долгим, и проводился в три этапа.

Сначала надо было выяснить, будут ли работать пересаженные часы, и если да, то будет ли новый хозяин реагировать на время, указываемое ими. Иными словами, можно ли восстановить чувство времени у аритмичного таракана с помощью часов, пересаженных из организма ритмически активного таракана?

С этой целью Харкер соединила двух тараканов, поместив одного из них на другом. Нижний, аритмичный таракан мог двигаться совершенно свободно. У верхнего, с четким нормальным суточным ритмом, Харкер удалила ноги, кроме того, она так закрепила его тело, чтобы оно оставалось совершенно неподвижным. Взаимосвязь между насекомыми была возможна только через кровоток. В этих условиях нижний таракан немедленно принял ритм верхнего и начал бегать по его расписанию; следовательно, он отвечал на сигналы, поступающие в его организм через кровоток.

На следующем этапе исследований Харкер пересаживала в брюшко аритмичного обезглавленного таракана подглоточный ганглий нормального насекомого. Активность животного с пересаженным ганглием становилась ритмичной, этот ритм по фазе соответствовал ритму таракана-донора и сохранялся в течение нескольких дней. Таким образом, стало совершенно ясно, что даже нарушение нервных связей в организме таракана не мешает нейросекреторным клеткам подглоточного ганглия секретировать в определенном ритме.

Заключительный этап эксперимента состоял в том, чтобы полностью вывести из равновесия часовой механизм насекомого. Но прежде попытаемся разобраться в следующем. Если тараканов поместить в обратный цикл суточного чередования света и темноты, они в конце концов заучивают его и начинают бегать на рассвете, когда свет выключают, и успокаиваются вечером, когда его включают. Иначе говоря, в Англии они бегают по новозеландскому времени. Поэтому для того, чтобы подвергнуть одно животное действию сразу двух часов, расходящихся по фазе, логично пересадить нейросекреторные клетки новозеландских тараканов кембриджским.

Но сначала Харкер должна была выполнить обычный контрольный эксперимент. Можно ли вообще пересадить единичные клетки одного таракана другому? Харкер сделала это, естественно, сначала на тараканах с нормальным циклом суточной активности, обнаружив при этом, что проведенная ею операция не причиняла им вреда. С донорскими часами, которые работали так же, как их собственные, насекомые вели себя нормально.

Наступило время для решающего эксперимента. Харкер взяла нормальных, кембриджских тараканов и пересадила им «часовые» клетки от тараканов, которые были активны по новозеландскому времени. Что же случилось с насекомыми? Одни клетки говорили сбитым с толку животным, что сейчас день, а другие утверждали, что наступила ночь. Тараканы подверглись настолько сильному внутреннему потрясению, что у них катастрофически быстро развились опухоли в кишечнике и они погибли.

Почему двое часов, работающих вразнобой, вызвали столь сильное потрясение в организме животных? Почему такой стресс привел к развитию опухолей? И это ли было причиной их возникновения? Если события следуют одно за другим, это вовсе не значит, что одно из них является следствием другого. Проблема установления причинных связей является одной из наиболее трудных в биологии. А получить полный ответ на то, что происходит в организме при сбившихся с ритма часах, еще труднее, поскольку нужны аналогичные эксперименты с другими животными. Но этого пока сделать нельзя, поскольку ни в каком другом животном, кроме таракана, местоположение часов еще не обнаружено. Правда, по мнению Харкер, несколько ученых, работающих с млекопитающими, уже подошли к успешному разрешению этой задачи.

Делая обзор работы Харкер, Клаудсли-Томпсон сказал: «(Ее) наблюдения за тем, как у нормальных тараканов развиваются опухоли средней кишки после пересадки им подглоточных ганглиев от насекомых, содержавшихся при обращенном режиме освещения, могут оказаться крайне важными для изучения болезней, которые возникают у человека в стрессовых ситуациях».

Овация, которую устроили Дженит Харкер участники симпозиума в Колд-Спринг-Харборе, была не единственной реакцией ученых на ее работу. Вполне естественно, что многие биологи в самых разных странах мира попытались воспроизвести ее результаты. Но это удалось далеко не всем, поэтому среди них нашлись и такие, которые поставили под сомнение достоверность ее данных. Харкер ответила тем, что, повторив свои эксперименты, воспроизвела прежние результаты.

Вот как оценивает исследования Дженит Харкер биолог Е. Мак-Робби, хорошо знакомая с ее многолетней работой:

 

Методы, которыми пользовались некоторые ученые, пытавшиеся воспроизвести ее работу, были слишком грубыми. Эти операции чрезвычайно тонки, они требуют хороших рук и большой практики. Бесполезно после нескольких пробных операций решать, что ничего не получится, — для отработки техники выполнения таких операций нужна постоянная тренировка на большом числе животных. Только после того, как техника освоена, операции идут успешно и животные выживают. Мне, например, известно, что в одной из попыток воспроизвести эту операцию просто игнорировали то обстоятельство, что очень близко к ганглию подходит — слюнной проток. При извлечении подглоточного ганглия проток перерезали, и из него высвобождались сильно действующие ферменты, которые разрушали клетки ганглия. Поэтому нет ничего удивительного в том, что эти попытки привели к отрицательным результатам.

Ну а что касается статистической достоверности, то по самой своей природе эксперимент с пересадкой органов отвечает либо «да», либо «нет». Уже сам положительный исход является однозначным ответом.

 

Наверняка пройдет еще немало времени, прежде чем биологи полностью примут и эту часть исследований Харкер. Однако, если мы правильно представляем себе общий ход развития науки, ее работа получит высокую оценку.

 

Одноклеточные часы

 

В конце пятидесятых годов в Скриппсовском институте океанографии профессор Беатрис Суини определила уровень обмена веществ единичного растения. Объем выделяемого им газа составлял всего миллионные доли миллилитра!

Какую цель ставила перед собой Суини, стремясь измерить объем кислорода, выделяемый одноклеточным растительным организмом? Обычно суточные ритмы измеряют для множества клеток одновременно: либо на многоклеточных растениях или животных, либо в популяциях одноклеточных организмов. Суини же хотела выяснить, совпадает ли ритм единичного одноклеточного организма с ритмом целой популяции, состоящей из очень большого числа таких организмов. Это могло бы стать первым этапом обширной программы исследований, нацеленной на более глубокое проникновение в тайну внутреннего механизма живых часов.

Выбор Суини определялся несколькими исходными условиями. Во-первых, как ботаник, она, естественно, стремилась работать с растительным организмом. Во-вторых, ее интересовала физиология биологических часов, и поэтому ей нужно было такое растение, физиологическая активность которого была бы четко связана со временем. Иначе говоря, Суини хотела ясно видеть «стрелки» живых часов. Кроме того, ей нужен был организм, физиологические реакции которого были бы обусловлены достаточно хорошо изученными биохимическими процессами. И конечно, организм этот должен был быть удобным для работы, то есть доступным и легко культивируемым в лабораторных условиях.

 

Рис. 44. Одноклеточная водоросль Gonyaulax polyedra, увеличенная приблизительно в 1000 раз.

 

Изучить ритмичность одиночной клетки — вот самый прямой путь для решения поставленной ею задачи. Подходящим объектом для этой цели оказалась одноклеточная морская водоросль Gonyaulax polyedra, относящаяся к классу динофлагеллят. Свечение тропических морей в первую очередь обусловлено водорослями Gonyaulax. Они имеют в диаметре около 0, 05 миллиметра, то есть едва различимы невооруженным глазом.

Это одноклеточное растение оказалось очень интересным для исследования ритмичности поведения, поскольку оно обнаруживает несколько проявлений ритмической активности: ритм люминесценции, ритм клеточного деления и суточный ритм фотосинтеза. Таким образом, требование, предъявляемое Суини к объекту исследований, оказалось выполненным: у живых часов Gonyaulax ясно видимых «стрелок» было предостаточно.

Налицо была и зависимость работы часов от хорошо изученных биохимических реакций. Люминесценция таких организмов, как Gonyaulax, обусловлена ферментативными реакциями, поскольку испускающая свет система состоит из самого фермента (люцифсразы) и субстрата, или вещества, с которым реагирует фермент (люцифе-рина). (Несмотря на очень большой объем литературы по биолюминесценции, истинная природа люциферина и люциферазы в клетках Gonyaulax еще не выявлена.)

Итак, для исследования ритмичности Суини выбрала Gonyaulax.

 

Рис. 45. Рисунок, выполненный по электронно-микроскопической фотографии среза клетки Gonyaulax.

 

Давно известно, что в условиях непрерывного освещения ярким светом многие биологические ритмы постепенно исчезают. Бюннинг показал это на примере суточного движения листьев еще в 1931 году. Листья растения фасоли, привыкшего к нормальному чередованию дня и ночи, просто переставали двигаться, когда его переводили в условия непрерывного яркого освещения. Тщательные лабораторные наблюдения над многими ритмами других организмов дали те же результаты. То же самое показала и культура Gonyaulax: если суспензию клеток долго освещать ярким светом, все ритмы исчезают, хотя растения продолжают размножаться.

Чем же определяется такое поведение? Значит ли это, что каждая из клеток в популяции теряет свой ритм, или нарушается синхронность между клетками, все еще сохраняющими ритмичность функционирования? Быть может, индивидуальные ритмы расходятся по фазе настолько сильно, что начинают гасить друг друга?

 

Рис. 46. Игрушка «ныряльщик».

 

Чтобы ответить на этот вопрос, нужно было выяснить, сохраняет ли ритм отдельная клетка в условиях непрерывного яркого освещения. Но какой ритм вообще сохраняется в подобных условиях? Люминесценцию яркий свет подавляет. Нарушается и ритм клеточного деления: клетки, выращенные на ярком свету, делятся не через строго определенные интервалы времени. Единственная возможность обнаружить на ярком свету ритм у одиночной клетки — это изучить ее фотосинтез. Более ранними экспериментами было показано, что суспензия клеток Gonyaulax в условиях чередования света и темноты обнаруживает четкий суточный ритм фотосинтеза. За его изменением можно следить, измеряя объем кислорода, выделяемого культурой в течение дня. Сделать это непросто, поскольку количество кислорода, выделяемое даже тысячами клеток Gonyaulax, чрезвычайно мало. Измерить его можно только с помощью очень точных приборов. Микрореспирометр соответствующей чувствительности был разработан Сколендером с сотрудниками. В нем используется поплавковый респирометр, в котором объем пузырька газа поддерживается постоянным.

Чтобы понять принцип действия такого респирометра, вспомним игрушку «ныряльщик». Она была придумана Рене Декартом в XVII веке и основана на том принципе, что каждый плавающий предмет вытесняет количество воды, равное его весу. Ныряльщик представляет собой стеклянную трубочку с небольшим пузырьком газа у запаянного конца. Трубочка ровно настолько заполнена водой, чтобы ныряльщик мог свободно плавать в сосуде с водой. Отверстие сосуда затянуто резиновой пленкой. Когда палец касается пленки, воздух в пузырьке сжимается, внутрь ныряльщика попадает несколько большее количество воды и он тонет. Если палец убрать, воздух снова расширяется и ныряльщик всплывает.

С помощью изящного усовершенствования Суини приспособила поплавковый респирометр для измерения объема кислорода, выделяемого одной-единственной клеткой Gonyaulax.

Вместо стеклянного ныряльщика Суини использовала тончайший капилляр, сделанный из пластика. Один конец капилляра запаивался, другой оставался открытым; в просвете капилляра сохранялось некоторое количество воздуха. При нормальном давлении пластиковый поплавок лежал на дне пробирки с культуральной жидкостью.

 

Рис. 47. Поплавковый респирометр для измерения выделения кислорода одиночной клеткой Gonyaulax. Вверху слева — полная схема аппарата, показывающая регулировку давления, измерительную систему, бинокулярный микроскоп, направленный на трубку, содержащую поплавок и одиночную клетку Вверху справа — тонкая стеклянная трубка (диаметром 0, 1 мм) с культуральной средой, поплавком и одиночной клеткой (при большом увеличении). Внизу — заключенный в капилляре воздух при снижении давления расширяется и, образуя пузырек, поднимает поплавок.

 

Если давление над раствором понижалось, воздух, находящийся в капилляре, расширялся, образуя на конце поплавка крошечный пузырек. При дальнейшем снижении давления размер пузырька увеличивался и поплавок медленно всплывал. Регулируя давление газа над поверхностью культуральной жидкости, можно удерживать поплавок на определенной высоте.

Теперь уже определить объем кислорода, выделяемого одиночной клеткой, не представляло особого труда. В небольшую пробирку вместе с поплавком помещалась одна клетка Gonyaulax. Выделяемый клеткой кислород увеличивал давление над раствором, сжимал пузырек воздуха, выступающий из поплавка, и поплавок тонул. Снижая давление с помощью дополнительной регулирующей системы, Суини могла компенсировать увеличение давления кислорода и удерживать поплавок на исходной высоте. Таким образом, по изменению давления, которое определялось ртутным манометром, Суини измеряла количество кислорода, выделенного клеткой Gonyaulax.

О сложности этого эксперимента говорит следующее. Суини, регулируя давление в сосуде, должна была удерживать поплавок точно на уровне линии, отмеченной в окуляре микроскопа, через который она вела свои наблюдения. А поскольку при изменении температуры все газы либо расширяются, либо сжимаются, пробирка с клеткой и поплавком помещалась в сосуд с водой, температура которой поддерживалась на постоянном уровне (с точностью до 0, 03 °C).

Располагая микрореспирометром и отработав методику, Суини уже могла приступить к изучению интересующего ее вопроса — сохраняют ли одиночные клетки те же ритмы, которые свойственны популяции в целом.

С этой целью клетки Gonyaulax выращивались в условиях чередования 12 часов света и 12 часов темноты. Суини предполагала, что фотосинтетическая активность одиночной клетки будет увеличиваться сразу после рассвета, доходить до некоторого максимума к полудню и снижаться по мере наступления сумерек. Эксперименты полностью подтвердили ее предположения. Но в ходе экспериментов исследовательница столкнулась с неожиданным осложнением — ни в одной из клеток фотосинтез не продолжался более 14 часов. Суини пыталась продлить жизнь клетки, добавляя антибиотики, но это не помогло.

И чтобы охватить измерениями весь 24-часовой период, Суини начинала опыты в разное время суток: на рассвете, через час после рассвета, через два часа после рассвета и так далее, всякий раз наблюдая за клеткой на протяжении 14 часов.

⇐ Предыдущая1234567Следующая ⇒

Поделиться: