Анализируя результаты экспериментов Ж. Харкер, В. Мартека пишет: "Мысль о возможности существования двух необыкновенно точных часов, контролирующих один и тот же ритм, покажется менее нелепой, если попытаться представить себе, как они работают. По всей вероятности, биологические часы, находящиеся в определенном участке нервной ткани, регулируют повседневную активность таракана; главные же часы вмешиваются только в тех случаях, когда показания этих повседневных часов слегка отклоняются от их собственных. Это происходит, например, когда постепенные изменения освещенности, сопровождающие смену времен года, несколько сдвигают стрелки главных часов. А уж тогда главные часы в свою очередь переводят повседневные часы, как бы говоря им: "Измените немного свой ход. Дни-то ведь становятся длиннее".
И еще. "По мере того как Харкер и другие исследователи углублялись в изучение сложных взаимодействий между разными биологическими часами, выявился один интересный факт. Оказалось, что граница между тканями, действующими в качестве часов, и тканями, не обладающими такой способностью, слишком расплывчата. Стало понятно, что от всех прежних попыток обнаружить и выделить некие определенные универсальные часы или некий отдельный ритм следует отказаться. До сих пор еще не установлено, служит ли основная единица жизни, т. е. клетка, маятником для всех биологических часов или же она содержит в себе такой маятник".
Поговорим теперь о самом сложном и важном — о природе, физиологической и химической сущности механизма биологических часов. При попытках выяснить, что же все-таки приводит в действие живые часы, ученым удалось лишь "остановить" или "переставить" их. Вспомним опыт с жаворонками, который показал, что способность ориентироваться в пространстве по Солнцу или звездам определяется работой внутренних часов. В этом и других случаях животным и растениям приходится определять время с точностью до минут. По мнению советского ученого С. Э. Шноля, такая "точность хода" биологических часов позволяет думать, что в основе циркадных ритмов лежат процессы с относительно коротким периодом. И анализ этих систем возможен лишь на основе современных представлений об общих свойствах колебательных систем, т. е. на основе рассмотрения физических и математических особенностей данного периодического процесса.
Некоторые зарубежные специалисты-бионики стремятся создать электрический аналог биологических часов. В состав одного из таких аналогов введен генератор, характер колебаний которого зависит от воздействия окружающей среды — чередования света и темноты, фаз Луны и т. п. Такой прибор, по замыслу его создателя, "должен пролить дополнительный свет на процессы функционирования биологических систем".
Интересно, что суточные ритмы свойственны лишь клеткам, в которых ядро четко отграничено от цитоплазмы специальной мембраной, т. е. клеткам, имеющим внутреннюю и внешнюю оболочки (двухоболочечным). У бактерий же и других однооболочечных организмов биологические часы пока не обнаружены.
В настоящее время трудно сказать, насколько диффузия и процессы биосинтеза могут обусловить периодические процессы с периодом, не превышающим нескольких минут.
Таким образом, пока можно считать вполне вероятным, что суточная периодичность основана на химических или физико-химических процессах. Длительность периодов этих процессов мала, и здесь можно провести аналогию между биологическими и обычными часами. Как известно, точность хода механических часов обусловлена стабильностью частоты быстрых колебаний маятника. Пока часовая стрелка завершает суточный цикл, маятник осуществляет множество колебаний.
Идею о сходстве между организмом животного и часовым механизмом выдвинул еще Декарт. Но пока человек не стал обладателем ключей, открывающих заветные двери к познанию, все его попытки проникнуть в тайны биологической хронометрии были обречены на неудачу подобно тому, как если бы скажем, марсианин или житель другой далекой планеты попытался бы вдруг узнать устройство механизма башенных часов на Земле, разглядывая в телескоп их циферблат со стрелками. Лишь в наше время ученые подошли вплотную к построению моделей биологических часов. И они послужат нам лучше, чем старая сказка о часах, звонящих прямо в животе крокодила. Вы, вероятно, помните эту сказку о Питере Пэне английского писателя Д. М. Барри. Крокодил случайно проглотил часы — будильник — одни из тех патентованных часов, которые заводились сразу на 99 лет, причем гарантировалось, что они будут идти, где бы то ни было и в каком угодно положении. В сказке часы продолжали идти и в желудке крокодила, и их тиканье было слышно на далеком расстоянии...
Однако вернемся к механизму биологических часов, которые всю жизнь неслышно идут в организме животных, включая и вышеупомянутого крокодила. Автор известной книги "Ритмы физиологических процессов" Э. Бюннинг, например, считает, что для измерения времени в организмах могут быть использованы периодические процессы, протекающие в белках актомиозинового комплекса. Возможно также, что колебания "маятника" биологических часов обусловлены регуляцией внутриклеточных систем.
Советский ученый, биолог А. М. Эмме в своей последней книге, над которой он работал, уже будучи прикованным к постели, писал:
"Жизнь — непрерывно самосовершающийся ритмический химический процесс, свойственный протоплазме. Жизнь основана на повторяемости химических циклов. Они обеспечивают постоянство химического состава протоплазмы. Возникновение жизни связано с образованием химических систем, в которых были условия для самоповторения химических циклов. Основными и первичными ритмами живой природы явились ритмы самоудвоения и синтетической деятельности молекул ДНК".
Таким образом, ритмическая природа свойственна самой жизни.
Выяснение механизма биологических часов, конечно, зависит от прогресса биохимии, биофизики и физиологии. Вероятно, широкое распространение колебательных процессов в клетке и организме требует изменения мышления биологов самых разных специальностей. Член-корреспондент АН СССР А. А. Ляпунов в предисловии к книге А. М. Эмме отмечает, что если сравнительно недавно господствовало мнение об определяющей роли периодических химических реакций в явлении биологических часов, то сейчас создается впечатление, что основную роль в этих явлениях могут играть только некоторые периодические физические процессы. Эта точка зрения была высказана совсем недавно Р. Л. Берг на основе сопоставления данных, приводимых Э. Бюннингом, К. Эретом и Н. Барлоу, А. М. Эмме, и результатов последних экспериментальных работ Н. Б. Христолюбовой. Несомненно одно: на пути изучения механизмов функционирования биологических часов и выявления процессов, играющих при этом управляющую роль, стоит масса интересных вопросов и предстоит еще много увлекательных открытий. Причем внешние явления, выполняющие функцию пусковых механизмов для тех или иных биологических процессов, а также наличие специфических механизмов управления ритмическими процессами представляют большой интерес с биолого-кибернетической точки зрения.
Для того чтобы уметь пользоваться биологическими часами, не обязательно знать, как они работают. Так, 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, и знать, что результаты клинических анализов тоже зависят от времени.
Биологические ритмы, бесспорно, должны учитываться и в физиологии труда в связи с изучением явлений утомления и переутомления, что позволит повышать работоспособность человека. Исследованиями установлено, что частые и короткие паузы в работе дают больший эффект, чем редкие и длинные. Интересно знать также, как влияет на здоровье скользящий график бодрствования при работе в две и особенно в три смены. Ведь организм в течение суток по-разному реагирует на физические нагрузки. Наиболее "слабым" человек оказывается в 2 — 5 час и между 12 — 14 час, наиболее "сильным" — утром с 8 до 12 час и днем с 14 до 17 час.
Любому человеку необходимо знать основы рационального питания. Но работа органов пищеварения также определяется суточным ритмом: в первой половине дня печень выделяет наибольшее количество желчи, утром желудочный сок менее кислый, чем вечером. Поэтому в первой половине дня должна преобладать белковая и жирная пища, а во второй — углеводная и молочная. Недавно получены данные о том, что и процессы старения связаны с биологическими часами и некоторые люди быстро стареют из-за нарушения их нормальной работы.
Растениеводы, животноводы, пчеловоды, физиологи и биохимики должны изменить свое отношение к "постоянным" условиям — непрерывное освещение и постоянная температура отнюдь не являются нормальными условиями!
И там, где человеку удалось расшифровать "календарь" биологических часов, он добивается поразительных успехов. Расскажем о двух случаях применения таких знаний в практике сельского хозяйства.
Знаете ли вы, что в нашей стране до недавнего времени не было промышленных сортов миндаля? Весь миндаль, который использует кондитерская и парфюмерная, хлебобулочная и фармацевтическая отрасли промышленности, мы покупаем в Иране, Италии, Алжире и других странах.
Выше мы рассказывали о том, как в 1948 г. те немногие миндальные деревья, что росли в Крыму, обманувшись чрезвычайно теплой погодой января, зацвели и впоследствии погибли от морозов. Для условий Крыма нужен был миндаль с особенно поздним цветением. И вот советский ученый, селекционер Александр Андреевич Рихтер решил разгадать механизм биологических часов миндаля, определяющий время его цветения. Таблицы температур — максимальных, минимальных, среднесуточных — по бесчисленным пунктам Крыма лежали на его столе. Процесс расшифровки календаря миндального дерева был не менее сложным делом, чем расшифровка письменности древних.
И что же оказалось? Растение ведет счет теплых дней еще осенью, с того самого момента, когда среднесуточная температура опустится ниже +18° Ц. Еще и еще накапливаются положительные температуры.