Банк рефератов содержит более 364 тысяч рефератов, курсовых и дипломных работ, шпаргалок и докладов по различным дисциплинам: истории, психологии, экономике, менеджменту, философии, праву, экологии. А также изложения, сочинения по литературе, отчеты по практике, топики по английскому.
Полнотекстовый поиск
Всего работ:
364150
Теги названий
Разделы
Авиация и космонавтика (304)
Административное право (123)
Арбитражный процесс (23)
Архитектура (113)
Астрология (4)
Астрономия (4814)
Банковское дело (5227)
Безопасность жизнедеятельности (2616)
Биографии (3423)
Биология (4214)
Биология и химия (1518)
Биржевое дело (68)
Ботаника и сельское хоз-во (2836)
Бухгалтерский учет и аудит (8269)
Валютные отношения (50)
Ветеринария (50)
Военная кафедра (762)
ГДЗ (2)
География (5275)
Геодезия (30)
Геология (1222)
Геополитика (43)
Государство и право (20403)
Гражданское право и процесс (465)
Делопроизводство (19)
Деньги и кредит (108)
ЕГЭ (173)
Естествознание (96)
Журналистика (899)
ЗНО (54)
Зоология (34)
Издательское дело и полиграфия (476)
Инвестиции (106)
Иностранный язык (62792)
Информатика (3562)
Информатика, программирование (6444)
Исторические личности (2165)
История (21320)
История техники (766)
Кибернетика (64)
Коммуникации и связь (3145)
Компьютерные науки (60)
Косметология (17)
Краеведение и этнография (588)
Краткое содержание произведений (1000)
Криминалистика (106)
Криминология (48)
Криптология (3)
Кулинария (1167)
Культура и искусство (8485)
Культурология (537)
Литература : зарубежная (2044)
Литература и русский язык (11657)
Логика (532)
Логистика (21)
Маркетинг (7985)
Математика (3721)
Медицина, здоровье (10549)
Медицинские науки (88)
Международное публичное право (58)
Международное частное право (36)
Международные отношения (2257)
Менеджмент (12491)
Металлургия (91)
Москвоведение (797)
Музыка (1338)
Муниципальное право (24)
Налоги, налогообложение (214)
Наука и техника (1141)
Начертательная геометрия (3)
Оккультизм и уфология (8)
Остальные рефераты (21697)
Педагогика (7850)
Политология (3801)
Право (682)
Право, юриспруденция (2881)
Предпринимательство (475)
Прикладные науки (1)
Промышленность, производство (7100)
Психология (8694)
психология, педагогика (4121)
Радиоэлектроника (443)
Реклама (952)
Религия и мифология (2967)
Риторика (23)
Сексология (748)
Социология (4876)
Статистика (95)
Страхование (107)
Строительные науки (7)
Строительство (2004)
Схемотехника (15)
Таможенная система (663)
Теория государства и права (240)
Теория организации (39)
Теплотехника (25)
Технология (624)
Товароведение (16)
Транспорт (2652)
Трудовое право (136)
Туризм (90)
Уголовное право и процесс (406)
Управление (95)
Управленческие науки (24)
Физика (3463)
Физкультура и спорт (4482)
Философия (7216)
Финансовые науки (4592)
Финансы (5386)
Фотография (3)
Химия (2244)
Хозяйственное право (23)
Цифровые устройства (29)
Экологическое право (35)
Экология (4517)
Экономика (20645)
Экономико-математическое моделирование (666)
Экономическая география (119)
Экономическая теория (2573)
Этика (889)
Юриспруденция (288)
Языковедение (148)
Языкознание, филология (1140)

Статья: Биологические часы

Название: Биологические часы
Раздел: Биология и химия
Тип: статья Добавлен 04:19:46 28 августа 2011 Похожие работы
Просмотров: 2017 Комментариев: 2 Оценило: 0 человек Средний балл: 0 Оценка: неизвестно     Скачать

С.Э. Шноль, Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, лаборатория физической биохимии Института теоретической и экспериментальной биофизики РАН, г. Пущино

В XVIII в. было естественно работать в разных научных направлениях – это был стиль еще недавнего Ренессанса. Ученый секретарь Парижской королевской академии наук де Мэран был астрономом и математиком. Он вел переписку со многими выдающимися исследователями разных стран. Тогда не было журналов, и о научных результатах сообщали друг другу в письмах и обобщали их в мемуарах и диссертациях. В 1729 г. де Мэран сообщил о замечательном наблюдении.

Кто сейчас, когда значительная часть жителей нашей страны имеет огороды, не видел, как растет фасоль? Все видели. А кто замечал, что ночью фасоль опускает листья, а перед рассветом поднимает? Мало кто это видел – что за фантазия идти ночью на огород смотреть на фасоль!

Эти «никтинастические» движения листьев заметил де Мэран. И он сделал важнейший опыт: поместил фасоль в темную комнату – в темноту и днем и ночью – и наблюдал, что движения листьев продолжаются и без изменения освещенности: поднимаются, когда наступает день (а в комнате все равно темно) и опускаются ночью. Как листья определяют, что там, «на воле», день или ночь? У них есть часы? Может быть, фасоль чувствует изменения температуры?

У многих растений листья располагаются перпендикулярно солнечным лучам и стеблю днем и параллельно стеблю ночью. Эти движения «засыпания» можно зарегистрировать на вращающемся барабане с помощью специально закрепленного пера (А). У многих растений, таких как обыкновенная фасоль, листья продолжают эти движения в течение нескольких дней даже при непрерывном тусклом освещении. (Б) – запись этого циркадинного ритма, в условиях непрерывного тусклого освещения

Термостатов тогда не было. В 1758 г. Дюмель повторил опыты де Мэрана, поместив растения в глубокую пещеру – во мрак, где температура была неизменна и днем и ночью. Движения листьев продолжались (постепенно, через много дней, эти движения затухают, но от очень короткой вспышки света движения возобновляются, причем так, как будто все время часы шли, только листья-стрелки не двигались).

Прошло 270 лет с открытия де Мэрана. Проблема биологических часов трудами десятков выдающихся исследователей весьма разных специальностей близка к разрешению.

Внутриклеточные ритмы

Что мы знаем о биологических часах сейчас, в начале XXI в.? Знаем, что они есть в каждой клетке, что в многоклеточных организмах все часы всех клеток должны идти согласовано, образуя иерархическую систему: часы отдельных клеток управляются часами органа, часы всех органов настраиваются по часам центральной нервной системы (если она есть), а в ней – в мозге – есть главные часы организма. Знаем, что биологические часы активны (в отличие от солнечных часов) и эндогенны, т.е. они «идут» сами – внутри каждой клетки есть свой «маятник», «колебательный контур», периодический процесс, отмеривающий единицы времени. При этом ход внутриклеточных часов, как и ход искусственных, рукотворных? часов, можно подстраивать по фазе – «подводить стрелки» соответственно с периодическими процессами окружающей среды, прежде всего суточным вращением Земли.

«Часовой механизм», как и полагается особо ценному имуществу, передается по наследству – в клетках есть гены часов. Эти гены, как и любые другие, подвержены мутациям и, следовательно, естественному отбору.

Мы, в основном, понимаем, зачем нужны часы в клетках – ясно, что для согласования жизнедеятельности со сменой дня и ночи, т.е. в качестве приспособления к вращению Земли вокруг своей оси. А поскольку в средних и высоких широтах соотношения светлого и темного времени в течение года не одинаковы, часы необходимы и для приспособления к смене времен года, т.е. для приспособления к наклону земной оси относительно плоскости орбиты. Тут мало измерить соотношение светлого и темного времени суток, нужно еще знать, растет или убывает день (ночь) – иначе можно спутать весну и осень.

Часы нужны и тем, кто должен учитывать лунные ритмы. Это, прежде всего, обитатели приливных зон побережий океанов. Время «высокой воды» или «низкой воды» изменяется из-за несовпадения лунных и земных суток. Учет сдвига времени приливов и отливов невозможен без точных внутренних часов. Понятно и назначение иерархического подчинения часов в многоклеточном организме – организм должен функционировать как целое: рассогласование функций органов и тканей приводит к различным болезням.

Без часов нельзя решить задачи навигации. Заметив, что богатые нектаром цветущие растения растут под определенным углом относительно положения Солнца, пчелы при повторном полете за нектаром должны делать поправку на движение Солнца. Для этого нужны часы. Умеют вносить поправку на время суток и птицы, ориентируясь в перелетах ночью по звездам или днем по Солнцу.

Нет, не все тут понятно! Зачем морским одноклеточным жгутиконосцам – например пиридинеям, гониаулаксу (Gonyaulax), знать, что наступила ночь? Они светятся ночью и не светятся днем. Какой в этом смысл? Кому они подают световые сигналы и зачем? Зачем часы примитивному грибу нейроспоре? Ясно, что часы им нужны – иначе они не сохранились бы при естественном отборе. А зачем нужны? Не знаем, зато известно, что это бесценные объекты для изучения природы часов.

Что мы знаем о природе биологических часов? Откуда следует, что они эндогенны, что их ход не определяется каким-то внешним периодическим процессом?

Де Мэран показал, что дело не в периодической смене дня и ночи. Дюмель – что дело не в периодических изменениях температуры. Но они, не имея точных приборов, могли не заметить небольших изменений. Кроме того, может быть, дело в каких-то других, физических, факторах – атмосферном давлении, электромагнитных трудно экранируемых излучениях или, вообще, в каких-то еще неизвестных излучениях Солнца?

Главный довод в пользу эндогенности состоит в следующем. В постоянных, по всем параметрам контролируемых условиях, период внутриклеточных часов вовсе не равен ровно 24 ч. Такой «свободный» период может быть и 22 (и даже 16), и 28 ч. Это лишь, как говорят по предложению Халберга, «циркадный» (околосуточный) период.

Циркадные, собственные, эндогенные часы подстраиваются внешними периодическими процессами под 24-часовой период земных суток. Но их можно подстроить и под другие периоды – растянуть до 48 ч или сжать до 16 ч. Это делают в искусственных условиях с растениями, животными, человеком, когда изучают поведение часов в условиях, имитирующих, например, условия длительного космического полета или подводного плавания.

Итак, основной механизм часов – внутри клетки. Как устроен этот механизм? Чтобы выяснить это, нужно ответить на несколько вопросов.

Первый вопрос: для измерения времени нужен какой-то периодический процесс – «маятник». Что за маятник используется в клеточных часах, и какова точность их хода? Точность часов определяется самым высокочастотным процессом в их механизме. Живым организмам вряд ли нужна точность выше, чем несколько секунд в сутки. Значит, должен быть процесс с периодом колебаний порядка секунд. Какой это процесс? (Пчелы и птицы вносят поправки на движение Солнца или вращение звездного неба, т.е. Земли, с точностью до нескольких минут.)

Второй вопрос: как обеспечивается независимость хода часов от температуры? Ход часов не должен зависеть от температуры. Уж очень непостоянна температура среды обитания. Независимость от температуры – очень трудное условие поиска: все химические процессы и большинство физико-химических процессов сильно зависят от температуры.

Третий вопрос: как осуществляется преобразование высокочастотного процесса в низкочастотный? В наших механических часах преобразования от секундных колебаний маятника (секундная стрелка делает оборот за 1 мин) к движению минутной стрелки (оборот за 1 ч) и 12-часовому обороту часовой стрелки осуществляются посредством делителей частоты – системы шестеренок. Как в биологических часах осуществляется преобразование околосекундных колебаний в околосуточные?

Четвертый вопрос: как происходит регулировка и подстройка часов относительно внешних периодических процессов («сигналов точного времени»)? Должны быть «рецепторы», воспринимающие эти внешние сигналы, например световые импульсы.

Остается еще много важных вопросов и среди них такой: как осуществляется «временная организация» – согласование всех внутриклеточных часов многоклеточного организма? Такое согласование предполагает какую-то систему сигнализации между клетками. А тогда возникают новые вопросы: что за сигналы посылают они друг другу? Как достигается иерархия – подчинение часов одних клеток сигналам часов других, «руководящих», клеток? Где в клетке находятся часы? Где в многоклеточном организме со сложной анатомией находятся главные часы?

Исследованием природы биологических часов заняты лаборатории в разных странах. Здесь работали и работают выдающиеся исследователи: «классики» Фриш, Бюннинг, Питтендрич, Хастингс, Халберг, и много новых, относительно молодых биологов, физиков, математиков. Далеко не на все перечисленные вопросы получены ответы, и все же успехи здесь замечательны.

Биохимические колебательные процессы и внутриклеточные часы

Итак, мы должны определить природу внутриклеточного периодического процесса, не зависящего от температуры, имеющего период порядка секунд, колебания которого преобразуются в околосуточные. Процесс этот должен настраиваться по внешним ритмам (свет–темнота) и по сигналам, идущим от других клеток многоклеточного организма.

В середине 1950-х гг. мысль о возможности существования колебательных, периодических химических (биохимических) реакций казалась очень странной. Как это может быть, чтобы в химической реакции все молекулы реагировали то с одной скоростью, то с другой, т.е. были бы все то в одном, то в другом состоянии? Казалось, что это допущение противоречит законам термодинамики.

И в самом деле, в равновесии колебания невозможны. Но колебательные процессы осуществляются лишь до тех пор, пока системы неравновесны, пока не израсходована их свободная энергия. Пока концентрации реагентов неравновесны, колебательные режимы вполне возможны. Но это простое соображение долго не осознавалось даже очень образованными людьми. Поэтому, когда работавший в секретном учреждении военный химик генерал Борис Павлович Белоусов послал в 1951 г. в редакцию одного из журналов статью с описанием открытой им периодической реакции, статью ему вернули с обидной рецензией: такого не может быть!

А реакция, открытая Б.П. Белоусовым, замечательная – в растворе серной кислоты малоновая, лимонная, яблочная кислоты окисляются в реакции с KBrO3 в присутствии катализатора – ионов церия (или марганца, или железа). Если для большей наглядности в реакционную среду добавить комплекс железа и фенантролина, цвет раствора периодически изменяется от ярко-синего до красно-лилового и обратно. Глаз не отведешь! Наблюдающие эту реакцию даже дышать начинают невольно в такт изменениям цвета. Но рецензенты были настолько убеждены, что этого быть не может, что не захотели поставить несложный опыт. Зачем, когда и так ясно...

Ко времени открытия Б.П. Белоусова математическая теория колебательных реакций была уже создана (в 1910 г. Альфредом Лоткой). У нас в стране выдающиеся физики Л.И. Мандельштам, А.А. Андронов и их последователи создали общую теорию колебаний. Д.А. Франк-Каменецкий и И.Е. Сальников открыли и описали колебательные процессы в реакторах, когда происходят не только химические превращения, но и диффузия и передача тепла на стенках реактора. Все это могло служить моделями внутриклеточных колебательных процессов. Оставалось «немногое» – найти их в клетках.

Сообщения об открытии биохимических колебательных процессов начали появляться с конца 1950-х гг. (в том числе из нашей лаборатории). Однако первый бесспорно периодический биохимический процесс открыл выдающийся американский биохимик Бриттен Чанс.

Во всех клетках превращения энергии связаны с синтезом и гидролизом АТФ. Самый распространенный процесс, в котором в темноте и без кислорода образуется АТФ, – это гликолиз, когда происходит расщепление молекулы глюкозы на две молекулы молочной кислоты или на две молекулы этилового спирта и две молекулы СО2 (тогда этот процесс называется брожением). Гликолиз – это последовательность многих реакций, каждая из которых катализируется своим ферментом. Центральная реакция гликолиза (в ней фруктозо-6-фосфат превращается во фруктозо-1, 6-бифосфат) катализируется ферментом фосфофруктозокиназой. Вот в этой реакции и были обнаружены колебания скорости. Следовательно, и синтез АТФ должен был осуществляться с колебаниями скорости: то быстрее, то медленнее. И колебания были «вполне подходящие», с периодом порядка минуты, т.е. вполне годились на роль маятника биологических внутриклеточных часов.

Казалось, что механизм биологических часов – их маятник – найден. Однако вскоре наступило разочарование. Эти колебания в гликолизе идут лишь в особых условиях и, кроме того, сильно зависят от температуры. А часы от температуры зависеть не должны. В разных лабораториях продолжали поиск.

Гликолиз – это бескислородное окисление глюкозы, дающее всего две молекулы АТФ на одну молекулу превращенной в молочную кислоту глюкозы. А в митохондриях, осуществляющих внутриклеточное дыхание, образуется 34 молекулы АТФ на каждую окисленную до CO2 и H2O молекулу глюкозы. Вот если бы здесь был колебательный процесс, он должен был бы быть значительно более эффективным часовым механизмом.

Колебания в митохондриях были найдены – М.Н. Кондрашовой и Ю.В. Евтодиенко в лабораториях Института биофизики в Пущино. В ходе этих колебаний в митохондрии то входят потоки ионов калия, кальция или водорода, то выходят. Скорость поглощения кислорода митохондриями также периодически изменяется. Теперь найден механизм, точнее маятник, часов? К сожалению, нет. Все еще было не ясно – происходят ли эти колебания, как должно быть в часах, всегда, или только в определенных создаваемых в эксперименте условиях. И, опять же, выяснилось, что они сильно зависят от температуры.

Пришлось задуматься: следует ли искать механизм часов в процессах, обеспечивающих клетки энергией? Все больше данных свидетельствовало в пользу того, что часы идут в полном покое, когда энергия почти не расходуется, так же, как и при активной жизнедеятельности.

Пчел на зиму укрывают от морозов и света, они цепенеют в своих темных ульях. А часы у них «идут» всю зиму, и весной пчелы правильно определяют время суток, что необходимо им для правильного выбора направления полета к цветущим растениям за «взятком».

Охлаждаются и цепенеют при температуре, близкой к 0°С, повисшие вниз головой в темных пещерах летучие мыши. Проходит много месяцев до теплых летних ночей (все это время у них правильно идут часы), и в нужное время они вылетают на ловлю ночных насекомых.

Не сбиваются с нужной фазы и околосуточные периодические процессы у растений, помещенных на много недель в темноту при постоянной температуре. Внешне нет никаких проявлений хода часов, движения «стрелок» не видно. Но дайте краткую вспышку света, и окажется, что все это время часы правильно отсчитывали время: у фасоли листья будут опускаться или подниматься так же, как и у контрольных растений, бывших при нормальной смене дня и ночи (это упрощенная картина).

Часы идут даже при почти полной остановке метаболических процессов. В этих исследованиях важные результаты дает применение различных ядов–ингибиторов биохимических процессов.

Я уже упоминал морской одноклеточный организм Gonyaulax. Он светится ночью, следуя своим внутриклеточным часам. Всем известная зеленая эвглена, наоборот, ночью неактивна. Днем она активно плывет в сторону большей освещенности, проявляет положительный фототаксис. Свет необходим ей для фотосинтеза. Ночью, если направить на сосуд с эвгленами узкий луч света, они на него не реагируют, фототаксиса не проявляют. Наступление дня и ночи зеленая эвглена определяет по своим внутренним часам.

Если добавить в воду, где живут эти организмы, метаболические яды, останавливающие дыхание и гликолиз, жизнедеятельность их замирает, эвглены перестают двигаться, гониаулаксы не могут генерировать свет. Если перенести их в свежую среду, отмыть яды, жизнедеятельность восстанавливается. Но самое замечательное: оказывается, что все это время их часы шли вполне правильно, как будто бы клетки и не отравляли: после отмывания ядов они вовремя начинают испускать свет и вовремя проявлять способность к фототаксису. Но если добавить в воду яды, нарушающие процессы считывания генетической информации, например, актиномицин Д, препятствующий функционированию РНК-полимеразы – синтезу мРНК по матрице ДНК, – часы сбиваются, ход их нарушается. Эти наблюдения сделаны в 1960-х гг. американским исследователем Гастингсом.

Однако найти реакции синтеза белка в клетке с колебаниями скорости с периодом порядка секунд не удалось, а именно такие колебания нужны для обеспечения должной точности часов. И, вообще, после периода общего увлечения колебательными биохимическими процессами наступило (как обычно бывает) «охлаждение чувств». Колебательные режимы биохимических процессов стали казаться экзотикой, проявляющейся лишь в особых условиях. Но вот в последние годы интерес к этим процессам вновь пробудился.

Для самых разных клеток и тканей оказались характерными колебания концентрации ионов кальция с периодами порядка секунд–нескольких минут. Это взволновало исследователей, потому что именно ионы кальция являются универсальными регуляторами внутриклеточных процессов. Изменение их концентрации часто включает или выключает метаболические процессы – сокращение мышц, активность нервных клеток, определяет их электрическую активность.

Очень может быть, что колебательные изменения потоков кальция в клетке, периодические изменения проницаемости биологических мембран, периодические открывания и закрывания кальциевых каналов обусловлены специфическими физико-химическими свойствами – особенностями взаимодействия именно ионов кальция с фосфолипидными мембранами. Это, по-видимому, следует из замечательных опытов Г.Д. Мироновой в Институте теоретической и экспериментальной биофизики РАН в Пущино.

Можно представить себе, что и взаимодействие соседних клеток осуществляется посредством колебаний концентрации кальция. А взаимодействие отдаленных друг от друга клеток, например в разных отделах головного мозга, вероятно, осуществляется посредством относительно низкочастотных электромагнитных колебаний, порождаемых колебаниями концентраций ионов (кальция, а затем натрия и калия) в отдельных мозговых структурах.

Но при чем тут синтез белка? Почему яды, нарушающие синтез белка, останавливают внутриклеточные часы? Это долго не удавалось понять. Успех здесь, как и во многих других областях современной биологии, был обусловлен изучением мутантов.

Существуют гены биологических часов

Более 50 лет назад К.Питтендрич начал изучение периодичности в жизни дрозофил. У разных видов разная суточная активность. Дрозофилы одних видов активны в утренние часы, других – в вечерние. Особенно четко суточная периодичность у них проявляется во время массового выхода взрослых мух из коконов.

К.Питтендрич создал замечательную школу исследователей. Мы обязаны этому ученому многими достижениями. В его лаборатории и было впервые установлено существование у дрозофилы гена биологических часов. В определенных местах хромосом есть ген per, определяющий циркадную периодичность. Мутации этого гена приводят к наследуемым изменениям хода часов. Аналогичные гены были обнаружены у низшего гриба нейроспоры и у крестоцветного растения арабидопсис.

Гены кодируют определенные белки. Следовательно, существуют per-белки, определяющие ход биологических часов. Нарушение синтеза этих белков под действием различных ингибиторов останавливает часы. Синтез per-белка осуществляется периодически; периодичность обусловлена тем, что по мере его синтеза по принципу обратной связи начинается торможение, ингибирование считывания – транскрипции гена.

Как именно достигается эта периодичность, еще не ясно. Однако уже известно, что именно в этой системе регуляции транскрипции существуют звенья (вещества), чувствительные к свету. Именно они даже при очень коротком импульсе света корректируют фазу внутриклеточных часов.

Еще не ясно, как белки – продукты этого гена – управляют жизнедеятельностью. Можно строить пока гипотетические схемы, связывающие образование в клетке этого белка и ритм и амплитуду быстрых кальциевых колебаний. Но что особенно замечательно – это успехи в выяснении, как казалось, самого трудного вопроса – температурной независимости часов.

Как показано в работе группы авторов в 1995 г., per-белки обладают уникальными свойствами. Их аминокислотные цепи образуют петлю: складываются при взаимодействии аминокислот друг с другом. Кроме того, отдельные молекулы белка образуют димеры, соединяясь друг с другом. Процесс внутримолекулярного взаимодействия и процесс межмолекулярного взаимодействия в точности противоположным образом зависят от температуры. Повышение температуры приводит к уменьшению активности одного процесса и увеличению активности другого таким образом, что итоговая «активная поверхность» белка остается постоянной. И часы идут независимо от температуры.

В том, как устроены биологические часы, остается много неясного, но, возможно, скоро мы поймем механизмы их функционирования. Залогом этого служат замечательные методические достижения современной экспериментальной биологии. Примером этих достижений могут служить исследования циркадных часов у арабидопсиса – растения, популярного в последние десятилетия у генетиков.

Как узнать, который час на внутренних часах этого крестоцветного? Методами генной инженерии в геном этого растения встроен ген люцеферазы (фермента системы генерации света) из жука-светляка (!). Такое растение начинает светиться, а интенсивность свечения управляется собственными генами – часами арабидопсиса. Теперь можно изучать тонкости циркадных ритмов различных мутантов этого растения.

Регулировка часов растений. Фитохромы

Как сказано выше, растениям часы нужны не только для подстройки к смене дня и ночи, но и для приспособления к смене сезонов. Они не только отличают весну от осени (в наших средних широтах), но гораздо более тонко приспосабливаются к определенной длительности дня. Есть растения короткого дня и длинного дня. Короткодневные растения зацветают ранней весной вскоре после весеннего равноденствия, растения длинного дня зацветают в дни, близкие к летнему солнцестоянию. Как они определяют длительность дня и ночи? Ответ на этот вопрос – одно из ярких достижений современной науки.

Хромофор фитохрома

На восходе и закате спектры солнечного света, доходящего до поверхности земли, как всем ясно, различны. Низко над горизонтом солнце красное, что обусловлено сильной зависимостью рассеяния света от длины волны: длинноволновый красный свет рассеивается меньше, чем синий. В закатном и сумеречном свете относительно много «дальнего красного», почти инфракрасного, света.

Это изменение спектрального состава солнечного света растения используют для определения длительности дня. Для этого им служит замечательный пигмент фитохром. Этот пигмент существует в двух формах. Одна форма Фк – «фитохром красный» – поглощает свет в «дневной» красной области в районе длин волн 660 нм и ... превращается во вторую форму Фдк – «фитохром дальний красный». Эта форма фитохрома поглощает «сумеречный» красный свет с длиной волны 730 нм и при этом (что самое замечательное) снова превращается «обратно» в Фк. В темноте Фдк медленно превращается в Фк.

Фитохром: синтез и разрушение

Так получается цикл: две формы пигмента превращаются одна в другую в зависимости от времени суток и в соответствии с собственным характерным временем жизни одной из форм. Это часы, регулируемые внешними сигналами. В зависимости от концентрации Фдк находятся и физиологические процессы в растениях – их рост и зацветание.

Фитохромы присутствуют в растениях в очень малых количествах. Это голубые пигменты, похожие по строению на желчные пигменты животных или пигменты некоторых водорослей. В нормальных зеленых листьях они маскируются хлорофиллами и каротиноидами. Для выделения первых миллиграммов чистых препаратов фитохромов в 1960-е гг. пришлось переработать тонны этиолированных (бесхлорофильных) проростков кукурузы.

Таким образом, внутриклеточные часы растений имеют дополнительные фитохромные регуляторы, позволяющие им приспосабливаться к изменениям длительности светлого времени суток.

Часы в организме высших животных

Наконец, немного о биологических часах высших животных. Во всех клетках есть свои часы. Но, как уже сказано выше, многоклеточный сложный организм может нормально существовать только при условии согласованности во времени всех его функций, т.е. должны быть «центральные», «главные» часы, управляющие всеми остальными внутриклеточными часами.

Относительно недавно было показано, что эти «главные» часы расположены в головном мозге в супрахиазменном ядре таламуса. К этим часам подходят нервные волокна от зрительного нерва, с кровью приносятся различные гормоны и среди них вероятно, наиболее важный для настройки часов гормон эпифиза – мелатонин. Эпифиз, бывший когда-то «третьим глазом» у древних рептилий, сохранил свои функции регуляции циркадных ритмов.

В клетках супрахиазменного ядра таламуса циркадная периодичность сохраняется и в опытах, когда эти структуры изолированы из организма. Это позволило выяснить многие особенности действия этих главных часов.

С помощью волокон зрительного нерва и гормона мелатонина эти часы регулируются сменой светлого и темного времени суток, а среди сигналов, действующих на эти клетки, оказалась NO – окись азота.

То, что NO – участник важных биохимических процессов, открыл около 30 лет назад А.Ф. Ванин (в Институте химической физики АН СССР). Сейчас пути образования в клетке этого, как казалось ранее, вполне чужеродного вещества, изучают во множестве лабораторий в разных странах. Становится понятным смысл употребления препаратов нитроглицерина при стенокардии, выясняется механизм расширения коронарных сосудов сердца. Обнаружена роль этого вещества в самых разных процессах. И вот в механизмах временной организации сложного организма NO также играет ключевую роль.

Суточная периодичность может быть очень сложной

Проблема биологических часов не ограничивается чисто научными задачами. Очевидно принципиальное значение этих вопросов для медицины. Изменение физиологического состояния организма на протяжении суток – изменение работоспособности, умственной активности, проявлений иммунитета – всё это необходимо учитывать в повседневной жизни. Одни и те же лекарства могут давать совершенно различные эффекты при приеме в разное время суток, при разных фазах биологических ритмов.

Помимо околосуточных, циркадных, периодов наши организмы подчинены многодневным – околонедельным, околомесячным, годичным и еще более длительным ритмам. Этим вопросам посвящена обширная литература, но они еще далеки от полного выяснения. В последнее время большой интерес вызывают исследования и концепции доктора медицинских наук Л.Я. Глыбина, директора Кардиологического центра Владивостока.

Л.Я. Глыбин полагает, что в сутках есть несколько периодов повышенного и пониженного физиологического состояния организма. Пониженная сопротивляемость болезням, пониженная работоспособность приходится на время 2–3, 9–10, 14–15, 18–19, 22–23 ч местного времени. Высокая работоспособность и сопротивляемость болезням характерна для времени суток 5–6, 11–13, 16–17, 20–21 и 24–1 ч. Соответственно этим периодам, Л.Я. Глыбин полагает желательным начинать день в 5–6 ч утра и ложиться спать до 22 ч, соответственно перестроив всю общественную жизнь, отменив работу в ночные смены, вечерние сеансы кино и театральные спектакли. По его мнению, «совы» отличаются от «жаворонков» только тем, что они используют период 24–1 ч и пропускают чрезвычайно продуктивный период 5–6 ч. Так ли это? Потребуется много усилий, чтобы найти ответы на такие вопросы.

Мы многое узнали в эти недавние годы расцвета исследований природы биологических часов. Еще больше предстоит узнать. Это очень увлекательно. И особое чувство вызывает то, что в каждом новом достижении так или иначе проявляются труды, мысли и жизненные судьбы многих поколений исследователей. Я не мог по краткости времени и места даже упомянуть большинство имен и могу лишь отослать любознательных к книгам и статьям, опубликованным по этой проблеме.

Список литературы

Бюннинг Э. Ритмы физиологических процессов (Физиологические часы) / Пер. с нем. под ред. И.И. Гунара. – М.: ИЛ, 1961.

Биологические часы / Пер. с англ. под ред. С.Э. Шноля. – М.: Мир, 1964.

Биологические ритмы / Под ред. Ю.Ашоффа. – М.: Мир, 1984.

Глыбин Л.Я. Когда ложиться спать. – Владивосток: Дальневост. кн. изд-во, 1987.

Гэлстон А., Дэвис П., Сэттер Р. Жизнь зеленого растения. / Пер.с англ. под ред. Н.П. Воскресенской. – М.: Мир, 1983.

Pittendrich C. S. Temporal organization: reflections of a darwinian clock watcher. // Ann. Rev. Physiology. 1993. V. 55. P. 17-54.

Millar A.J., Carre I.A., Stryer C.A., Chua Nam-Hai, Kay S.A. Circadian clock mutants in Arabidopsis identified by luciferase imaging. // Science. 1995. V. 267.

Huang Z.J., Curtin K.D., Rosbash M. PER protein interactions and temperature compensation of a circadian clock in Drosophila. // Science. 1995. V. 267.

Оценить/Добавить комментарий
Имя
Оценка
Комментарии:
Где скачать еще рефератов? Здесь: letsdoit777.blogspot.com
Евгений08:05:11 19 марта 2016
Кто еще хочет зарабатывать от 9000 рублей в день "Чистых Денег"? Узнайте как: business1777.blogspot.com ! Cпециально для студентов!
11:03:39 29 ноября 2015

Работы, похожие на Статья: Биологические часы
Концепции современного естествознания
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Ставропольский государственный университет Концепции современного естествознания Справочник ...
У эукариотов нити управления внутриклеточным обменом находятся в ядре клетки, в очень длинных цепях молекул нуклеиновых кислот (ДНК, РНК), исходной структурной единицей которых ...
Человек как биосоциальное существо соединяет в себе многообразие ритмов, порожденное биологической и социокультурной эволюцией.
Раздел: Рефераты по биологии
Тип: книга Просмотров: 7104 Комментариев: 2 Похожие работы
Оценило: 0 человек Средний балл: 0 Оценка: неизвестно     Скачать
Психологический словарь
Борис Гурьевич Мещеряков, Владимир Петрович Зинченко Большой психологический словарь Оглавление Предисловие Персоналии Список авторов Список ...
Первоисточник биологических эндогенных ритмов - короткопериодные химические или физико-химические колебательные процессы на клеточном уровне.
В процессе формирования следов происходят морфологические изменения в клетках ц. н. с: увеличение диаметра афферентных окончаний, их разбухание, увеличение числа и длины терминалей ...
Раздел: Рефераты по психологии
Тип: книга Просмотров: 4613 Комментариев: 2 Похожие работы
Оценило: 0 человек Средний балл: 0 Оценка: неизвестно     Скачать
Орхидеи
Как ухаживать за орхидеями дома Орхидея - один из самых красивых цветов всего растительного царства. Прошли те времена, когда тропические орхидеи в ...
Те, кто был покорен красотой их волшебных цветков, скорее станет коллекционером этих замечательных растений.
Часто перенос орхидей, привыкших к теплу, в более прохладные условия на ночь, отлично работает в качестве выгонки: вскоре растение может выпустить новый цветонос.
Раздел: Рефераты по биологии
Тип: статья Просмотров: 20890 Комментариев: 7 Похожие работы
Оценило: 5 человек Средний балл: 4.4 Оценка: неизвестно     Скачать
Физиология растений
Куниченко Наталья Александровна, кандидат сельскохозяйственных наук, доцент, заведующая кафедрой защиты растений и экологии Приднестровского ...
На основе действия этих фоторецепторов и пигментов растение проходит суточные изменения в определенном ритме, который называется циркадным, или биологическими часами растения.
фагоцитарная (внутриклеточное переваривание паразитических форм клетками растений, наличие у растений стационарных фагоцитов),
Раздел: Рефераты по биологии
Тип: учебное пособие Просмотров: 27813 Комментариев: 3 Похожие работы
Оценило: 3 человек Средний балл: 4.3 Оценка: неизвестно     Скачать
Клетка
Реферат по Биологии Тема: "Клетка" Исполнил: Лежнин Пётр 818 гр. -2001- ВВЕДЕНИЕ Цитология - наука о клетках - элементарных единицах строения ...
Он установил также, что клетки животных и растений гомологичны по развитию и аналогичны по функциональному значению, и сделал вывод, что "клетки представляют собой организмы, а ...
Наука о клетке - цитология, изучает строение и химический состав клеток, функции внутриклеточных структур, размножение и развитие клеток, приспособления к условиям окружающей среды ...
Раздел: Рефераты по биологии
Тип: реферат Просмотров: 17210 Комментариев: 26 Похожие работы
Оценило: 33 человек Средний балл: 4.2 Оценка: 4     Скачать
... и навыков у учащихся второго класса при изучении комнатных растений
Дипломная работа Московский Государственный Педагогический Университет Кафедра естественных дисциплин и методики их преподавания в начальной школе ...
Если в доме много света и воздуха, выбор будет богаче, хотя некоторые растения прекрасно развиваются именно в тени.[8]
Все растения следует оберегать от резких колебаний температуры, особенно зимой.
Раздел: психология, педагогика
Тип: дипломная работа Просмотров: 10367 Комментариев: 1 Похожие работы
Оценило: 5 человек Средний балл: 4.4 Оценка: неизвестно     Скачать
Общее содержание воды в листьях калины в условиях биостанции
Министерство образования Российской Федерации Мичуринский государственный педагогический институт кафедра биологии и основ сельского хозяйства ...
Вода в теле растений и вода, покрывающая нашу сушу и входящая в состав атмосферы, несмотря на разные ее формы едина, и ритмы ее движения в косной и живой материи согласованы ...
Однако необходимо сказать, что по мнению многих исследователей как увеличение (ночью), так и уменьшение (днем) содержания воды в растении обусловлено экологическими условиями ...
Раздел: Рефераты по биологии
Тип: реферат Просмотров: 2102 Комментариев: 3 Похожие работы
Оценило: 2 человек Средний балл: 5 Оценка: неизвестно     Скачать
Методика экологического воспитания
Введение Экологическое воспитание является одним из направлений воспитательно-образовательной деятельности дошкольного учреждения. Это важное средство ...
С помощью специально разработанных методик мы стремились установить, что дети знают о том, как размножаются растения и как появляются на свет животные; как осуществляется процесс ...
Тем не менее, старшие дошкольники могут стать участниками этого процесса, если воспитатель рассказывает о том, что строится в детском саду, каким замечательным будет зимний сад ...
Раздел: Рефераты по педагогике
Тип: дипломная работа Просмотров: 16537 Комментариев: 2 Похожие работы
Оценило: 1 человек Средний балл: 5 Оценка: неизвестно     Скачать
Все о клетке
Реферат по Общей биологии На тему: "Клетка" Ученицы 11 "В" класса Физико-математической школы № Преподаватель: Москва 2001 год План реферата: Введение ...
Из 110 элементов Периодической системы Менделеева в состав организмов входит более половины, причем 24 из них являются обязательными и обнаруживаются почти во всех типах клеток.
Клеточная оболочка выполняет важные и весьма разнообразные функции: определяет и поддерживает форму клетки; защищает клетку от механических воздействий проникновения повреждающих ...
Раздел: Рефераты по биологии
Тип: реферат Просмотров: 7295 Комментариев: 4 Похожие работы
Оценило: 4 человек Средний балл: 4.8 Оценка: неизвестно     Скачать

Все работы, похожие на Статья: Биологические часы (9620)

Назад
Меню
Главная
Рефераты
Благодарности
Опрос
Станете ли вы заказывать работу за деньги, если не найдете ее в Интернете?

Да, в любом случае.
Да, но только в случае крайней необходимости.
Возможно, в зависимости от цены.
Нет, напишу его сам.
Нет, забью.



Результаты(151106)
Комментарии (1843)
Copyright © 2005-2016 BestReferat.ru bestreferat@mail.ru       реклама на сайте

Рейтинг@Mail.ru