Понятие биологического времени в хронобиологии

Биологическое время представляет собой центральную проблему хронобиологии (от др.-греч. xpovoq — время) — науки, которая исследует временную организацию биологических систем, периодические (циклические) феномены, протекающие у живых организмов во времени, и их адаптацию к солнечным и лунным ритмам. Хронобиология является междисциплинарной наукой, включающей методы и представления других естественно-научных дисциплин (молекулярной биологии, генетики, биофизики, биохимии, морфологии и др.). Она использует достижения точных наук, таких как математика, физика и химия.

История хронобиологии начинается в XVIII в., когда были обнаружены циркадные (суточные) ритмы в движении листьев растений. В 1751 г. шведский ботаник и натуралист К. Линней сконструировал даже настоящие биологические часы, используя некоторые суточные ритмы цветущих растений.

В 1860-е гг. К. Э. фон Бэр (1792—1876), один из основоположников эмбриологии и сравнительной анатомии, президент Русского энтомологического общества, написал о биологическом времени и его различии у различных видов животных.

А. Чижевский (1897—1964), один из основателей космического естествознания, основоположник космической биологии и гелиобиологии в своих работах «Эпидемиологические катастрофы и периодическая активность Солнца», «Земное эхо солнечных бурь» и ряде других, описал циклы у живых организмов в связи с солнечным циклом и циклом лунных фаз.

Во второй половине XX в. исследователи из различных областей науки обнаружили, что они изучали одни и те же феномены. Тогда и было положено начало хронобиологии как современной науке.

В последние десятилетия растет число работ, посвященных исследованию времени в биологических системах. В этих работах выявляется специфика биологического времени, описываются и раскрываются функциональное значение биоритмов (биологические часы), связь функций во времени, процессы приспособления организма к внешнему времени и т. д.

Биологическое время является внутренним временем биологических систем, так как оно связано с биологическими часами, т. е. существует через отношение биологических процессов в живых объектах. Физическое время является по отношению к биологическим системам внешним временем, так как оно определяется по часам, находящимся вне организма. Так, Уитроу говорил: «Физиологическое время отличается от физического времени тем, что является, в сущности, внутренним временем, связанным с областью пространства, занимаемого живыми клетками, которые относительно изолированы от остальной Вселенной»^[1].

Время функционирования биологических систем может быть выражено как в физическом, так и в биологическом времени.

Биологическое время измеряется «событиями», происходящими в биологических системах, — интенсивностью обменных процессов, частотой биологических ритмов, скоростью переработки информации. И поскольку в пределах одного интервала физического времени на разных стадиях развития организма может произойти не одно число «событий» в биологической системе, то биологическое время, измеряемое количеством таких событий, не будет совпадать с физическим временем.

На основании многочисленных исследований было установлено, что временная ориентация биологических организмов базируется на так называемых «биологических часах», при помощи которых устанавливаются в этих организмах суточные, сезонные и годовые ритмы различных физиологических процессов^[2].

Стойкая суточная ритмичность была найдена у многих растений и животных. Часто она сохранялась, даже когда они удалялись из определенного окружения, с которым эти периодические изменения давали им возможность бороться. Например, медузы на берегу разжимаются, когда их накроет вода, но, если поместить их в бак с морской водой, они продолжают разжиматься, открываться и сжиматься в соответствии с временем прилива и отлива, хотя в баке нет ни прилива, ни отлива.

Или другой пример: исследования биологических часов, которые контролируют ритм расширения и сокращения пигментных клеток обычного краба, обнаружили строго 24-часовой цикл изменений цвета. В течение дня черный пигмент его спинных клеток распространялся по этим клеткам, делая их темными, и таким образом защищал краба от яркого солнца и хищников. С наступлением ночи краб становится бледнее, так как пигмент концентрируется в ядрах клеток, а с рассветом весь цикл начинается сначала. Несколько таких крабов были помещены в темную комнату, в которой поддерживалась постоянная температура, и обнаружилось, что часы, связанные с последовательностью изменений цвета, шли согласно смене дня и ночи и давали ошибку не более нескольких минут в два месяца.

Во многих случаях оказывается, что биологические часы некоторым образом зависят от метаболической активности. В случае если животные впадают в зимнюю спячку, биологические часы могут эффективно приостанавливаться. Значительно чаще на биологические часы оказывает большее или меньшее влияние внешняя температура¹.

Временные изменения в живых существах и измерение их с помощью «биологических часов» происходит под влиянием процессов неорганической материи. Основным ее ритмом, оказывающим фундаментальное воздействие на живые организмы, является вращение Земли. Именно этим ритмом и его производными — чередованием дня и ночи, света и темноты, сменой времен года и др. — обусловлено многообразие биологических ритмов. Последние могут быть классифицированы и рассматриваться в зависимости от длительности биоциклов, их совпадения с геофизическими циклами, а также от характера функционирования живых существ и т. д.

Основой биологической ритмики живых организмов выступает, как полагают исследователи, локализованный в клетках механизм «часов». Это явление стало известно благодаря обнаружению «биологических часов» у одноклеточных организмов: «Фактически каждая живая клетка может иметь свои собственные часы. Это не будет удивительным, если вспомнить, что клетка, в отличие, скажем, от камня, обычно имеет определенную историю жизни, заключающуюся в точной последовательности процессов»^[3][4].

После этого на очередь встал вопрос о том, с какими внутриклеточными структурами связан механизм «биологических часов». И еще: как организм регулирует свои временные отношения с окружающим миром?

Первое: за счет фотопериодичности. Это реакции организма на смену дня и ночи, проявляющиеся в колебаниях интенсивности физиологических процессов. Через восприятие света органами зрения, изменения ритма двигательной активности, экстрасенсорное восприятие.

Второе: за счет внутреннего регулирования (генетическая регуляция). Факт генетической регуляции биологических ритмов очевиден, но закономерности генетической программы временной организации в целом неизвестны.

Установлено, что биологические ритмы, с одной стороны, имеют внутреннюю природу и генетическую регуляцию, а с другой — их осуществление тесно связано с модифицирующим действием факторов внешней среды, так называемых датчиков времени. Эта связь лежит в основе единства организма со средой и во многом определяется экологическими закономерностями. Если рассматривать «биологические часы» как средство регуляции отношений между живым организмом и средой, то создается возможность предсказания подобных приспособительных действий этих организмов.

Вообще следует отметить, что пространственная и временная организация живых организмов, являя собой образец более высокий, нежели пространственно-временная организация неживой материи, вместе с тем не отрывается от последней, а стремится приспособиться к ней максимально благоприятным для себя способом.

Разновидностью биологического времени и пространства является физиологическое время и пространство. Последнее как понятие было применено Дж. Уитроу для объяснения пространственно-временных процессов и отношений в человеческом организме: «Физиологическое время является, в сущности, внутренним временем, связанным с областью пространства, занимаемой живыми клетками, которые относительно изолированы от остальной Вселенной»¹.

Процессы, связанные с физиологическим временем человека, распадаются на две группы: повторяющиеся процессы, подобные сокращениям сердца, и прогрессирующие процессы, подобные склерозу ткани и артерий. Это явление было детально изучено французским биологом Леконтом дю Нуйи, который исследовал скорость заживления наружных ран у людей разного возраста и установил, что с увеличением возраста скорость затягивания раны уменьшается. Следовательно, при измерении биологического времени скоростью физиологических процессов можно сделать вывод о том, что с увеличением возраста происходит замедление биологического времени.

Однако в человеческом организме пространственно-временную «оболочку» имеют не только чисто биологические и физиологические процессы. На их материальной основе осуществляется психологическое функционирование человека, которое и рождает новый тип пространственно-временной структуры.

• [1] Уитроу Дж. Естественная философия времени. М.: Наука, 1964.С. 82.
• [2] Биологические часы: пер. с англ. / под ред. С. Э. Шноля. М.: Мир, 1964.
• [3] Уитроу Дж. Естественная философия времени. М.: Наука, 1964.С. 81−82.
• [4] Там же. С. 85.