Куда летит время. Увлекательное исследование о природе времени

Биологические часы оказались очень полезны для адаптации живых существ к условиям окружающей среды. Начнем с того, что они выступают главной опорой жизнедеятельности в целом. Теоретически без них можно обойтись: хронометрирование физиологических процессов может осуществляться автономно за счет внутренних ресурсов организма. Наш внутренний хронометр в состоянии обеспечить координацию физиологических процессов, протекающих во внутренней среде организма, напрямую поддерживая постоянную связь с тактовыми импульсами двадцатичетырехчасового суточного ритма, которые задает солнечный свет. Но в таком случае наш организм по ночам и в пасмурные дни неизбежно отправлялся бы в свободное плавание по рекам времени. (Представьте себе, что у ваших радиоконтролируемых часов приемник регулярно выходит из строя, из-за чего они теряют способность отсчитывать время.) До конца восьмидесятых годов XX века большинство биологов стояли на том, что у микроорганизмов, таких как цианобактерии, циркадные ритмы вовсе отсутствуют, по той простой причине, что жизнь среднестатистического микроба слишком коротка, чтобы вписаться в них. Деление типичной одноклеточной цианобактерии происходит каждые несколько часов. При солнечном свете размножение клеток активизируется, в темноте интенсивность клеточных делений снижается. В течение двадцати четырех часов один материнский одноклеточный организм дает начало шести и более поколениям дочерних клеток, которых насчитывается невероятное множество. Как метко выразился в разговоре со мной Карл Джонсон, микробиолог из Университета Вандербильта: «Какой смысл обзаводиться часами, если на следующий день вы будете уже другим человеком?»

Более двадцати лет Джонсон находится в авангарде исследований, которые дают понять, что у бактерий все-таки есть свой циркадный хронометр, причем поразительно точный. Более того, клеточные часы бактерий настолько не похожи на молекулярные часы животных, растений и грибов, что в отношении первых напрашивается вопрос о причинах эволюции внутреннего часового механизма и о том, как могли быть этимологически связаны между собой последующие модификации биологических часов.

Цианобактерии производят кислород в ходе фотосинтеза; многие виды также обладают способностью фиксировать атмосферный азот и превращать его в соединения, легко усваиваемые растениями. Единовременное осуществление фотосинтеза и азотфиксации – невероятно сложная задача, так как присутствие кислорода угнетает активность фермента, задействованного в каптаже азота. Тем не менее высокоорганизованные нитчатые цианобактерии могут параллельно осуществлять оба процесса, распределяя обязанности между специализированными клетками. У одноклеточных цианобактерий нет внутриклеточных отсеков, поэтому они вынуждены распределять функции по времени: фотосинтез осуществляется днем, а фиксация азота – ночью.

Существование суточного цикла чередования фотосинтеза и азотфиксации у цианобактерий навело ученых на мысль о некотором аналоге биологических часов у микроорганизмов. Джонсон с коллегами разобрались в устройстве часового механизма, основываясь главным образом на изучении цианобактерий вида Synechococcus elongatus, широко используемого в лабораторных экспериментах. Аналогичный принцип действия внутренних часов встречается у многих видов цианобактерий, а некоторые его аспекты присущи микроорганизмам других родов, но у более высокоорганизованных организмов нет ничего похожего. В ядре клетки у Synechococcus elongatus присутствуют три вида белков – KaiA, KaiB и KaiC, чьи названия происходят от японского иероглифа kaiten, которым обозначают циклическое круговращение небес. Ведущая роль принадлежит белку KaiC, молекула которого частично напоминает два пончика, сложенных один на другой. Эпизодически взаимодействуя с двумя другими белками, KaiC довольно ловко справляется с функциями шестеренки часов. При этом происходит частичное изменение конформации молекулы, в результате чего она приобретает способность захватывать и высвобождать фосфат-ионы. В конечном счете все три вида белков формируют временное молекулярное образование, которое называется периодосомой. Сьюзен Голден, микробиолог из Калифорнийского университета Сан-Диего, образно описывает взаимодействие между белками как «групповые объятия», на которые уходит около двадцати четырех часов.