Живые часы

После получения степени доктора зоологических наук в Гарвардском университете Браун работал некоторое время в научно-исследовательском биологическом центре на Бермудских островах. Там он впервые непосредственно наблюдал два совершенно удивительных примера биологических ритмов: появление с точной месячной периодичностью стай бермудской креветки и скоплений атлантического светящегося червя. Самым замечательным в этих явлениях была их приуроченность к определенным фазам Луны. Таким образом, сама природа этих ритмов существенно отличалась от суточных или околосуточных ритмов, которые владели мыслями большинства исследователей.

После пребывания на Бермудских островах Браун еще несколько лет занимался изучением эндокринной системы ракообразных, но мысли о загадочности биологических ритмов не оставляли его. В конце концов он целиком переключился на исследование зависимости биологических ритмов от периодических изменений геофизических параметров.

Целью самого первого из поставленных им экспериментов было выявление зависимости ритмов у животных от температуры. Результаты аналогичных исследований Дж. Уэлша из Гарвардского университета и О. Парка из Университета штата Иллинойс вызывали у Брауна большие сомнения. По данным этих исследователей, свойственные организмам (различным ракообразным и насекомым) ритмы сохраняются при переносе животных из естественной внешней среды в условия постоянной температуры.

Браун предложил своей сотруднице М. Уэбб проверить результаты Уэлша и Парка. Животным, которое они избрали для экспериментов, был маленький манящий краб Uca. Тысячи особей этого краба повсюду копошатся на прибрежных отмелях, издавая звук, напоминающий шелест бумаги. В обычных условиях Uca обнаруживает регулярное ритмическое изменение своей окраски. Днем он темнеет, а ночью становится светлым. Степень изменения его окраски можно измерить обычными лабораторными методами.

Браун и Уэбб начали с гипотезы, что крабы должны подчиняться правилу Вант-Гоффа, согласно которому при повышении температуры скорость химической реакции непременно увеличивается, а при снижении — замедляется. Если это так, то частота ритмического изменения окраски крабов должна удваиваться, утраиваться и т. д. при повышении температуры на каждые 10 °C или соответственно снижаться при аналогичном снижении температуры.

Исследователи проверяли ритмы большой популяции крабов, выдерживаемых в течение длительного периода времени при 16 °C. Сначала крабов содержали в условиях нормального чередования дня и ночи, а затем — в постоянной темноте. Температура в обоих случаях была одной и той же. Как и следовало ожидать, ритмы в условиях непрерывной темноты сохранялись, но удивляла точность, с которой крабы выдерживали 24-часовой цикл изменения окраски.

«Выбор манящего краба в качестве экспериментального объекта оказался для нас столь же удачным, как для Менделя выбор растений гороха в его экспериментах по изучению механизмов наследственности, — писал Браун. — Ритм этого краба не является циркадным, то есть близким к 24 часам. Он равен 24 часам, то есть имеет строго суточную периодичность».

После этого Браун и Уэбб повысили температуру содержания крабов с 16 до 26 °C. Увеличится ли теперь в соответствии с правилом Вант-Гоффа скорость изменения их окраски? Затаив дыхание, записывали они одно измерение за другим, но никаких изменений в длительности периода обнаружить не смогли. Он точно сохранял свой 24-часовой цикл. Правда, густота окраски крабов с повышением температуры увеличивалась, но ритм оставался прежним. Потом они снизили температуру до 6 °C, но ритм тем не менее сохранил точную 24-часовую периодичность.

Предвидя критические замечания (измерения проводились при слабом освещении), Браун поставил контрольные опыты, которые показали, что ритм изменения окраски крабов при той же температуре в условиях полной темноты абсолютно синхронен с ритмом животных экспериментальной группы.

Поскольку при измерении окраски могли вкрасться отдельные ошибки, Браун и Уэбб статистически обработали полученные данные, но не выявили никаких отклонений от 24-часовой периодичности цикла.

Помимо поразительно точного 24-часового ритма изменения окраски, Браун и Уэбб обнаружили у манящего краба еще один ритм — ритм двигательной активности, но связанный с Луной, а не с Солнцем. Во время отлива крабы спускаются к воде и обследуют отмель в поисках пищи, во время прилива наоборот — поднимаются выше по берегу и отдыхают. За исключением некоторых местных отклонений приливы чередуются в соответствии с лунными сутками, составляющими 24 часа 50 минут, так что манящие крабы живут и по лунным часам.

Сохранят ли крабы этот свой распорядок в постоянных условиях лаборатории? Результаты тщательно контролируемого эксперимента показали, что крабы сохраняют этот ритм и в постоянных условиях.