Перейти в начало сайта Перейти в начало сайта
Электронная библиотека «Наука и техника»
n-t.ru: Наука и техника
Начало сайта / Раритетные издания / Время, хранимое как драгоценность
Начало сайта / Раритетные издания / Время, хранимое как драгоценность

Научные статьи

Физика звёзд

Физика микромира

Журналы

Природа

Наука и жизнь

Природа и люди

Техника – молодёжи

Нобелевские лауреаты

Премия по физике

Премия по химии

Премия по литературе

Премия по медицине

Премия по экономике

Премия мира

Книги

Бермудский треугольник: мифы и реальность

Время, хранимое как драгоценность

Люди и биты. Информационный взрыв: что он несет

Превращение элементов

Ум хорошо...

Часы. От гномона до атомных часов

Издания НиТ

Батарейки и аккумуляторы

Охранные системы

Источники энергии

Свет и тепло

Научно-популярные статьи

Наука сегодня

Научные гипотезы

Теория относительности

История науки

Научные развлечения

Техника сегодня

История техники

Измерения в технике

Источники энергии

Наука и религия

Мир, в котором мы живём

Лит. творчество ученых

Человек и общество

Образование

Разное

Время, хранимое как драгоценность

Вячеслав Демидов

Глава первая. Часы всего живого

Скажи, кто первый часы изобрел,
В минуты, секунды время расчел?

Г. Гейне


Наш симпозиум вполне мог бы называться «Приспособление организмов к вращению Земли».

Э. Быоннинг

Сначала этому не придали особого значения. Через Атлантику летали тогда главным образом деловые люди, по большей части пожилые, и бессонницу, вялость, плохой аппетит относили на счет возраста. Далекие путешествия на самолете – занятие для молодых. Недуг назвали «болезнью бизнесменов», и дело на том закончилось.

Встревожились врачи, когда на пресловутые симптомы стали жаловаться пилоты трансатлантических и транстихоокеанских линий. Вначале, правда, тоже пытались списать на возраст: командиры тяжелых лайнеров – как правило, люди в годах. Когда же в медицинские кабинеты повалили и молодые летчики, когда чуть ли не три четверти команд самолетов, летающих на далекие расстояния, оказались охвачены «бизнесменовским» заболеванием, стало ясно, что не старость тому виной, а скорость.

Теперь люди ощутили последствия быстрой перемены мест. Длительность их отдыха раньше не соотносилась с тем, куда летит самолет – на восток или на запад, сколько часовых поясов отделяют аэродромы взлета и посадки, как поздно экипаж ушел в рейс и как рано (по местному времени) приземлился. А наш организм, оказывается, чутко реагирует на все эти обстоятельства. Утомленный пилот не может хорошо вести машину. И в поле зрения авиационных врачей попало дотоле мало кого занимавшее обстоятельство: ритмика человеческого организма.

Чем глубже исследователи знакомятся, с этой ритмикой, тем поразительнее становится картина. Температура тела, оказывается, максимальна примерно в шесть вечера, а падает до минимума между пятью – семью утра. Костный мозг вырабатывает красные кровяные тельца активнее всего утром. Способность желудка переваривать пищу ночью практически равна нулю (не зря же врачи советуют перед сном не наедаться!), зато максимальной становится к середине дня. И так далее, и так далее, и так далее. Различных ритмических процессов насчитывается в нашем теле до сорока.

Врачи теперь стараются делать операции (кроме экстренных, конечно) утром: утренние раны быстрее заживают – это факт, подтвержденный точными лабораторными опытами. Лекарства, в состав которых входят гормоны, дают больным «строго по часам и в тех соотношениях, в которых подобные вещества вырабатываются в организме», – пишет один из специалистов по биоритмике.

Но замечательно, что наши ритмы отнюдь не даны нам от рождения, как можно было бы предполагать. Мы приобретаем их с возрастом. Время, олицетворенное сменой дня и ночи, постепенно настраивает «внутренние часы» организма.

Проклятье неизменности

Мы не можем управлять физиологическими ритмами по своему произволу. «Чредой слетает сон...» – и мы порой негодуем на власть Земли: шутка ли, проспать треть жизни! Может быть, есть смысл устроить себе вечный день, избавиться от власти ритмов и сразу обрести возможность трудиться сколько хочешь и когда хочешь?

Выдающийся немецкий естествоиспытатель XIX столетия К. Фогт в 1861 г. участвовал в экспедиции на мыс Нордкап, самую северную точку Европы. Там он впервые познакомился с полярным летом. «Шесть недель мы не видели захода солнца и более двух месяцев не знали ночи, – писал он в дневнике. – Те, кто мельком слышал рассказы о многомесячном полярном дне, считают счастливыми путешественников, которым ночь не мешает делать наблюдения. Они воображают, что при этом чувствуешь себя особенно хорошо и всегда способен к новым работам. Но этого не бывает, потому что за возбуждением первых дней вскоре следует раздражительность и изнурение, с которыми нельзя вполне совладать. Хочешь спать и не можешь. Трудно отстать от укоренившейся привычки спать, когда темно. Каждый день ждешь мгновения, когда солнце спрячется за горизонт, и только перед восходом ложишься в постель, но она не дает освежающего сна».

Что же, если солнце так мешает жить, то, может быть, полярная ночь окажется приемлемее? Отнюдь! Психологическая неустроенность оказывается столь велика, что всего через полтора месяца человек «уже почти способен понять, что можно стать солнцепоклонником, закричать от радости, когда покажется солнце, милое солнышко», – вспоминает в своих «Записках полярника» Н.В. Пинегин, советский исследователь Арктики. А другой старожил заполярных областей, неоднократный зимовщик на острове Врангеля А.И. Минеев, суховато рисует еще более неуютную картину: «Во время полярной ночи несколько падает работоспособность, появляется апатичность, растет внутренняя недисциплинированность, душевная неуравновешенность. Даже аккуратные люди, и те становятся неряшливыми. Если человек не заставит себя в определенное время вставать, выполнять те или иные обязанности, то он неизбежно спутает время сна и бодрствования». Теперь мы знаем, в чем тут дело: внутренние часы человека перестают следить за вращением Земли, хотя по-прежнему продолжают идти в каком-то своем ритме.

Резиновые мгновения

Ну, а если избавить человека от общества других людей? Лишить его малейших возможностей наблюдать время? Как далеко и куда сдвинутся его внутренние часы? Вопрос не праздный для познания их природы.

И вот в глубокие пещеры спускаются добровольцы-одиночки, они живут там, пока выдерживают нервы: жить отшельником – занятие нелегкое. Все они единогласно отмечают, что время, как его представляют нам внутренние ощущения, начинает идти куда медленнее «настоящего». Французский спелеолог М. Сиффр провел в одиночестве более 40 суток, а показалось ему, что только 25. У других исследователей за две недели «внутренние часы» отстали более чем на сутки.

Выходит, мы не только ощущаем бег времени, но даже отмеряем его своим внутренним эталоном? Может быть, не только сутки, но и часы, даже минуты? А то и секунды?

«Я не успеваю встать, как снова ложусь. Когда я сажусь за стол, я думаю, что уже конец обеда и нужно вставать. Я иногда удивляюсь, неужели за две-три минуты я успела пообедать. Я часто отказываюсь верить, когда мне говорят, что прошло несколько часов. Неужели время может так быстро идти? Почему это так? Почему оно течет не так, как мне кажется?»

«Замер весь мир. Тоска. Люди движутся чересчур медленно. Все уплывает куда-то. Время остановилось. Оно текло и замерло. Я умерла или никогда не умру. Я знаю, что стрелка движется на ваших часах, но это лишь видимость движения... Вы приходите ко мне из другого времени».

Это не отрывки из фантастического романа о неведомых пришельцах, научившихся управлять временем. Это говорит человек, пораженный тяжелым недугом – маниакально-депрессивным психозом. В маниакальной стадии – бурное возбуждение, в депрессивной – тяжелая апатия, длящаяся иной раз месяцами. И время то мчится вскачь, то плетется. Возбуждение – апатия... Какое отношение они имеют к ощущению времени?

...Громадный самолет выписывает в небе математически выверенную вертикальную кривую, словно облетает внезапно выросший на его пути холм. Целую минуту в кабине длится невесомость – настоящая, космическая. Будущие космонавты, а вместе с ними врачи и вообще все, кто участвует в эксперименте, плавают в воздухе, словно рыбы в аквариуме.

Но вот что странно: когда их потом опрашивают, сколько времени они пробыли в этом необычайном мире, ответы оказываются прямо противоположны. «Две, три секунды, может быть, пять», – говорит один. «Ужасно долго. Не мог дождаться, когда все кончится», – возражает другой. Новые вопросы, – и выясняется, что шестьдесят секунд невесомости сжались тридцатикратно для тех, кто не испытывал никаких неприятных ощущений. И наоборот, время тянулось, словно патока, для тех, чей организм переносит невесомость плохо.

Да, время человек отсчитывает вовсе не с бесстрастием хронометра. «Как всегда в острых ситуациях, дрогнул, сдвинулся с места и пошел по какому-то странному, «двойному» счету масштаб времени. Каждая секунда обрела волшебную способность неограниченно – сколько потребуется – расширяться: так много дел успевает сделать человек в подобных положениях», – вспоминает летчик-испытатель М.Л. Галлай об одном из многочисленных «случаев», в которые ему приходилось попадать в воздухе. «Я не мог видеть крыльев, но всем своим существом чувствовал, что они полощутся, как вымпелы на ветру. Меня швыряло по кабине из стороны в сторону – долго после этого не проходили набитые о борта синяки. Штурвал, будто превратившись в какое-то совершенно самостоятельное, живое и притом обладающее строптивым характером существо, вырвался у меня из рук и метался по кабине так, что все попытки поймать его ни к чему, кроме увесистых ударов по кистям и пальцам, не приводили... Флаттер прекратился так же внезапно, как начался. Он продолжался, как показала расшифровка самописцев, около семи секунд. Больше машина вряд ли бы выдержала, хотя мне, по совести говоря, показалось, что дело тянулось по крайней мере в три раза дольше».

Итак, будет человек возбужден или апатичен, испытает приятные ощущения или неприятные, окажется до предела загружен работой или будет принужден воспринимать обстоятельства «как они есть» – в каждом случае один и тот же отрезок времени окажется психологически разным. Почему?

Время – дитя воспоминаний

У древних греков богиня Мнемозина вначале ведала и памятью, и течением времени (которым позже стал управлять бог Хронос, по имени которого и назван хронометр). Она покровительствовала знанию о прошлом, и потому советский ученый В.В. Иванов назвал ее «богиней информации».

Любой рассказ человека о своих переживаниях и ощущениях поневоле отнесен к тому, что было. Произнося «сейчас», мы фактически говорим о прошлом: на осознание своего «я» требуется пусть малое, но все же время, как и на то, чтобы произнести фразу или слово. Так что ощущение времени правильнее было бы оставить Мнемозине, а Хроносу отдать только приборы, измеряющие течение времени.

В памяти сохраняется, однако, не абстрактное «время», а последовательность событий. «Способность фиксировать последовательность процессов, – пишет Е.К. Сепп в своей «Истории развития нервной системы позвоночных», – является основной способностью мозговой коры. В основе ее лежит динамическая поляризация нейронов. По цепям нейронов импульсы протекают в одном направлении, и в таком порядке фиксируются следы бывших возбуждений». Ученый просто подтвердил поэтическое рассуждение французского философа конца XIX в. Ж. Гюйо о том, что «прошедшее время – это осколок пространства, перенесенный вовнутрь нас; оно образуется при помощи этого пространства. Образы, которые даются нам воспоминанием... образуют ряд, в котором одни члены не могут быть замещены другими».

И действительно, попытки прокручивать ленту впечатлений в обратном направлении не удаются. Фигурки не движутся задом наперед, как в кино, если пустить ленту не с того конца. Прошлое в лучшем случае оказывается разорванным на куски, смонтированные в произвольном порядке. Но внутри каждого отрезка сохраняется нормальная последовательность событий.

Для лечения некоторых заболеваний человеку вводят в мозг тончайшие проволочки-электроды и пропускают по ним очень слабый ток. Иногда они попадают в такие области мозговой коры, где ток буквально распахивает бездонные кладовые памяти. Люди в мельчайших подробностях видят события, случившиеся десятилетия назад, и переживают их так, если бы дело происходило не в прошлом, а в настоящем. «Прошлое развертывается последовательно, мгновение за мгновением, – пишут проводившие такие исследования американские физиологи В. Пенфилд и Л. Роберте. – Это несколько напоминает работу магнитофона или демонстрацию киноленты, на которой как бы запечатлено все, что человек некогда осознавал, то, на что он обратил внимание в тот промежуток времени. Здесь отсутствуют ощущения, которых он не замечал, разговоры, к которым он не прислушивался. Время в этом фильме всегда идет вперед, никогда в обратном направлении... никогда не» останавливается, не поворачивает вспять, не перескакивает на другие периоды... Воспроизведение иногда можно повторить. В этом случае эпизод каждый раз начинается с одного и того же момента».

Обратим внимание на два обстоятельства. Во-первых, «время всегда идет только в прямом направлении», во-вторых, «отсутствуют ощущения и разговоры, которых человек не замечал». Не в этом ли разгадка «резинового времени», как мы воспринимаем его потом?

Когда М.Л. Галлай попал во флаттер и машина вышла из повиновения, он делал то единственное, что в подобной ситуации мог делать истинный ученый: старался запомнить как можно больше из того обилия информации, которую доставляла ему взбесившаяся машина. «Зрение, осязание, слух настолько завалены новыми мощными ощущениями, что невозможно требовать от них раздельного восприятия каких-то деталей... Грохот хлопающих листов обшивки, выстрелы лопающихся заклепок, треск силовых элементов конструкции сливались во всепоглощающий шум... Я жадно пытаюсь «вчувствоваться» – именно не вглядеться, не вслушаться, а вчувствоваться – в поведение самолета и, колотясь о борта «сошедшей с ума» кабины, жду, когда же, наконец, прекратится вся эта свистопляска». Флаттер, как вы помните, продолжался семь секунд, но летчику показалось – как минимум втрое больше. Зато для инженера-испытателя, не такого тренированного, как пилот (в этом полете он наблюдал за показаниями приборов, установленных в кабине), время тянулось «минуты две».

Как видим, в памяти людей, переживших смертельную опасность, оказалось чрезвычайно много «опорных точек» на киноленте времени. Не удивительно, что время растянулось. Прибавьте к этому, что они не могли ничем повлиять на ход вещей, им приходилось пассивно ждать, чем все кончится, – и запоминать, запоминать...

Если восприятие длины отрезка времени действительно зависит от того, сколько «опорных точек» сохранилось в памяти, становится понятным и такой парадокс: старики жалуются, что жизнь промелькнула, как миг, а детям все кажется, что годы тянутся слишком медленно. Французский философ К. Жане утверждал, что человек в обыденной жизни оценивает скорость течения времени прямо пропорционально длительности уже прожитого, и коль скоро для десятилетнего ребенка год – это 1/10 его жизни, а для пятидесятилетнего мужчины – всего лишь 1/50, то у отца семейства время мчится впятеро быстрее, чем у его отпрыска. Где, однако, доказательства, что мозг занимается столь странной математикой? Не правильнее ли предположить, что у ребенка больше «опорных точек» на шкале воспоминаний, не информации, а именно «опорных точек», т.е. остро воспринятых событий? Ведь для него каждый прожитый час открывает нечто неизведанное, любопытное. Память отмечает новые факты, – вот и ощущение медленного хода времени. А взрослый, тем паче глава семьи, человек с устоявшимся бытом и привычками, в его жизни дни похожи друг на друга, а значит, нет информационно ценных обстоятельств, зацепок для воспоминаний, так что время субъективно ускоряет свой бег.

Мера информации – это мера неожиданности сообщения. Его нетривиальность. И человек вдруг однажды осознает (если, конечно, осознает), что самое ценное в его жизни было – не квартира, не полированный гарнитур, не автомобиль, вещи полезные, слов нет, а нечто совсем иное, «нематериальное»: встречи с интересными людьми, незнакомыми городами, хождения по картинным галереям и консерваториям, да мало ли что еще в этом роде...

Жаль только, что мысли такие приходят поздновато...

Альфа-ритм считает время?

Ну, а ощущение времени как таковое? Нельзя же отрицать, что оно свойственно человеку! Многие умеют просыпаться с точностью до минут. Одни говорят, что им нужно для этого представить циферблат часов и положение стрелок, другие повторяют в уме несколько раз команду: «Встать во столько-то!» – и представьте, просыпаются, как от будильника.

Супруги Милн в своей книге «Чувства животных и человека» рассказывают о швейцарском композиторе Эмиле Далькрозе, «который обычно развлекался со своим сыном во время совместных прогулок следующим образом. У отца в руках были часы. Он ждал, когда они начнут отсчитывать новую минуту, затем внезапно закрывал циферблат и говорил «три» (или называл другое число по выбору – интервал времени, который нужно оценить). Какое-то время они шли молча, а затем отец и сын выкрикивали: «Три!» – обычно одновременно. И отец открывал циферблат часов и видел, насколько близкими к истине были их оценки.

Далькроз уверял, что любой может играть в эту игру с таким же успехом, если только будет спокоен и не станет обращать никакого внимания на внешние часы».

Здесь уже и речи нет о воспоминаниях – вспоминать нечего!

Как же тогда ведется счет?

По мнению некоторых ученых, человек сравнивает отрезки времени с частотой биения пульса, как бы подсчитывая число ударов. Другие утверждают, что при ходьбе и вообще движении время ассоциируется со скоростью и пройденным расстоянием. Третьи полагают, что в качестве эталона времени организм берет альфа-ритм – ритм электрических колебаний с частотой около 12 герц, свойственных мозгу, когда человек бодрствует. В пользу последней гипотезы веско свидетельствуют опыты советского физиолога В.И. Лебедева, принимавшего участие в отборе и подготовке кандидатов в космонавты.

Было установлено, что когда человек видит мигающую лампочку, вспышки света вызывают с той же частотой «вспышки» электрических импульсов в головном мозгу. Изменяется частота световых сигналов – ее точно «отслеживает» частота импульсов. И что самое важное, – эти навязанные мозгу электрические сигналы подчиняют себе частоту колебаний альфа-ритма. Возник вопрос: можно ли, регулируя частоту вспышек лампочки, изменять скорость течения времени, ощущаемую человеком по частоте альфа-ритма?

Лебедев оттренировал группу испытуемых оценивать в уме с большой точностью 20-секундные отрезки времени (негромкая музыка исключала возможность примитивного счета секунд типа «двадцать один, двадцать два...»). И на земле, и в невесомости отрезки определялись с ошибкой порядка 0,1 секунды. Сбить испытуемых с толку – а невесомость заметно влияет на четкость проведения многих опытов! – не удавалось.

Но вот – внимание! Включена мигающая лампочка. Пущен электрический секундомер, невидимый для участников опыта. Через «свои» 20 секунд они нажимают кнопку «стоп». И что же? Испытуемых как будто подменили. При учащенном ритме вспышек «внутренние часы» ускоряют свой ход: вместо 20 секунд, кнопка нажимается через... 18,2 секунды. И наоборот, когда частоту вспышек уменьшали, отрезки времени удлинялись, достигая 21,6 секунды. Решительно у всех испытуемых отклонения выглядели одинаково, соответствовали воле экспериментатора. Когда же врач начинал резко менять частоту, бросая ее то вверх, то вниз, ошибки отсчета чрезвычайно возрастали.

В пользу гипотезы альфа-ритма говорит и то, что когда человек теряет сознание и альфа-ритм исчезает, – теряется и ощущение времени. «Молодой человек подносит мне к губам черную кислородную маску. Глубокий вдох, закрываю глаза. Сейчас же открываю их, и вот – я уже в палате, возле койки стоит молодой человек в белом докторском наряде, аккуратненький, улыбающийся. Прошло три часа», – вспоминает польский писатель А. Минковский.

Есть у гипотезы и слабые места, от которых нельзя отмахиваться. Сама по себе частота альфа-ритма у разных людей неодинакова (лежит в пределах 8...16 герц) и, вообще говоря, непостоянна. Как же удается организму весьма точно определять время, опираясь на такой неверный эталон? Что бесспорно – так это факт неотделимости сознания и времени, которое мы ощущаем. Должно быть, именно это единство и приводило философов, вслед за Блаженным Августином, к мысли искать время «в глубинах своей собственной души», хотя там кроется не время как таковое, а лишь его след.

А может быть, никаких внутренних часов и нет? Может быть, мы просто ощущаем сигналы, идущие из космоса, сигналы, от которых не спрятаться ни в пещере, ни в сурдокамере? Над нами Солнце, над нами Луна: они заведуют приливами и отливами. Имеют ли они какое-нибудь отношение к ритмам живого?

«Руки» Солнца и Луны

...Начало пятидесятых годов нашего века. Аэродром близ Чикаго. Из самолета выгружают какие-то ящики. «Легче, легче, парни!» – предупреждает грузчиков сопровождающий. В ящиках – свежие устрицы, переложенные сырыми водорослями. Семь часов назад они были выловлены на Атлантическом побережье близ Нью-Хэвена. Машина мчит по автостраде: путешественниц ждут. Но не в ресторане, а в биологической лаборатории. Стремительность переброски обманула устриц: в тазу с морской водой они раскрывают створки раковин именно в то время, когда на атлантическом берегу катятся волны прилива.

Однако проходит две недели – и в поведении моллюсков наблюдатель улавливает перемены. Раковины открываются уже в другое время. Будь озеро Мичиган, возле которого стоит лаборатория, морем, в этот момент над водой поднималась бы луна, а на песок наступал бы прилив. Мы знаем, что Луна вызывает, приливы. Но как узнали об этом устрицы? Неужели они ощущают вызванное нашей спутницей изменение силы тяжести на поверхности Земли – микроскопический эффект, который люди смогли измерить лишь в эпоху, когда появились особо чувствительные приборы? Профессор Ф. Браун (США) считает, что сомневаться в этом просто нелепо.

А вот история из жизни рыбки лаурестес, которую рассказывают в своей книге супруги Милн. Весной, в полнолуние, когда прилив достигает наивысшей точки, «...похожие на корюшек лаурестесы превращаются в акробатов и выбрасываются на берег к восторгу тысяч зрителей, которые приходят восхищаться этим чудом... Сначала каждая самка лаурестеса пробуравливает песок по вертикали своим хвостом, чтобы отложить икринки. В этот момент вокруг нее крутятся на берегу один или два самца. Затем она, извиваясь, выскакивает из песка как раз тогда, когда следующая волна может снести ее вместе с партнерами обратно в море... Ясно, насколько важен расчет времени. Но как лаурестес узнает это время?»

В такт с появлением луны и приливами поглощают с разной скоростью кислород актинии, морские ежи, всевозможные моллюски и крабы. В этом же ритме изменяется окраска крабов, живущих в зоне, заливаемой высокой водой прилива, – и не только всего краба, но даже его оторванной лапки! Чисто лунными, четко связанными с фазами нашего естественного спутника оказались биоритмы некоторых морских червей и сухопутных мушек. Словом, луна – это не просто луна, а еще и регулятор жизнедеятельности...

Не исключено, что изменение силы тяжести, вызываемое Луной, ощущают и некоторые люди. Во всяком случае лунатики, как говорят, совершают свои экстравагантные штуки именно в полнолуние (а также, по-видимому, и в новолуние, – только в этом случае их сомнамбулические хождения не вызывают у наблюдателей никакой ассоциации).

Однако можно ли говорить, что все дело во влиянии космоса, и пренебрегать совершенно не зависящими от космоса часами, которые «тикают» самостоятельно и лишь «увлекаются» внешними сигналами? Можно ли пренебрегать «внутренними часами»?

«Болезнь бизнесменов» как раз и отражает тот факт, что часы эти существуют, что их ход управляется Солнцем, сменою дня и ночи. Слишком резкое и частое рассогласование внутреннего и астрономического времени не проходит даром для организма. С возрастом внутренний эталон становится все жестче. Молодому человеку на перестройку биочасов хватает двух дней, а у старика это занимает порой две недели. Чем радикальнее перемена, тем острее воспринимает ее организм. Еще неведомо, с радостью или нет воспримут пожилые люди эру сверхзвуковой, а в будущем и гиперзвуковой авиации, смогут ли они переносить молниеносные перелеты с одного континента на другой безболезненно для себя. Не исключено, что придется предупреждать пассажиров о возможных последствиях чрезмерного увлечения сверхскоростными полетами. По-видимому, даже не каждый летчик сможет работать на регулярных сверхзвуковых линиях, не говоря уже о гиперзвуковых, и придется с этой точки зрения особо тщательно отбирать экипажи. С последствиями рассогласования биологических и астрономических часов шутки опасны.

От фитохрома к протоплазме

Французский астроном Де Мэран не прославился открытиями новых небесных тел, его фамилии вы не найдете в анналах науки о небе иначе как в простом списке рядовых. Но он был любопытен – и потому стал первооткрывателем на стыке двух дисциплин. Случилось это в 1729 г. Де Мэран знал, что листья бобов поднимаются днем и опускаются ночью; чтобы подметить это, не требовалось особых приспособлений. Но ему захотелось установить, движутся ли они потому, что их освещает Солнце, или потому, что растение ощущает вращение Земли. Он пересаживает бобы с грядки в темный подвал. Туда не проникают солнечные лучи, а ровная температура, неизменная и днем и ночью, не подскажет растению, какое на дворе время суток. Но бобы словно не замечают перемены обстановки. Их листья столь же исправно встают торчком, когда на улице играет день, и столь же регулярно «ложатся спать», когда его сменяет ночь. Итак, растение ощущает, как вертится Земля? Все бы хорошо, но спустя несколько дней листья поднимаются уже не так заметно, и наконец совсем перестают двигаться. Почему? Де Мэран не вдается в объяснения. Он публикует свои «Ботанические наблюдения» в трудах Королевской академии, наук и позволяет себе только предложить ботаникам и физикам попристальнее вглядеться в странное поведение бобовых листьев.

Лишь полтораста лет спустя великий Дарвин высказывает прозорливую догадку: «...периодичность является в какой-то мере внутренним свойством» организма. Но понадобилось еще пятьдесят лет экспериментов, чтобы рассеялись последние сомнения. Да, растениям свойственны биологические часы, но выделить «нечто», играющее их роль, по-прежнему не удавалось.

Много надежд одно время возлагали на фитохром – вещество, найденное в самых различных частях растений: стеблях, семядолях, листьях. Его выделили в чистом виде в 1959 г. американские биологи Х. Бортвик, М. Паркер и С. Хендрикс. Фитохром может с равной легкостью находиться в любом из двух состояний: Ф-660 или Ф-735. Этим он несколько напоминает маятник: тот ведь тоже отклоняется то в одну, то в другую сторону. А цифры показывают, что превращения связаны со светом определенной длины волны.

Осветите растение красным светом с длиной волны 660 миллимикрон, и спустя некоторое время фитохром очутится в фазе Ф-735. Переход в состояние Ф-660 возможен двояким способом: надо или включить свет, близкий к инфракрасному, с длиной волны 735 миллимикрон, или вообще выключить всякое освещение и предоставить дело времени. Тогда в темноте фитохром Ф-735 сам собой постепенно преобразуется в Ф-660.

Увы, превращения фитохрома, как ни важны они для нормального развития растений, – это лишь один из множества колебательных процессов, обнаруженных у представителей флоры. Фитохром ничего не объяснил. Дело осложнилось тем, что колебательные процессы были найдены не только у растений в целом, но даже у клеток! Ритмические изменения химического состава, скорости синтеза нуклеиновых кислот, размеры ядра – уж куда идти дальше?

Но и клетка, как стало ясно, вовсе не последняя инстанция в биологическом «часовом деле». Биолог Лев Рапкин открыл в протоплазме клеток особое вещество, содержащее серу, – его условно назвали SH. Когда клетка делится, это вещество то окисляется, то снова восстанавливается, причем восстановление в SH-форму происходит именно перед актом деления, а окисление – вслед за ним, «Цикл Рапкина», как считали биологи, – это своеобразная сигнализация. И вдруг все оказалось не так.

Смуту посеял в конце шестидесятых годов японский биофизик Мано. Он извлек из яиц морского ежа протоплазму – опыт очень сложный, требующий филигранной техники, – и в этом «бульоне», лишенном клеточных ядер, концентрация SH продолжала изменяться. А надо сказать, что наличие и самого ядра и мембраны между ядром и протоплазмой считалось принципиально необходимым, чтобы мог идти циклический, колебательный процесс, управляющий делением. Выходит, «сигнальная лампочка» является чем-то совершенно самостоятельным.

Биологи подвели неутешительные итоги: биочасы неуловимы, словно призрак. Каждый раз, когда исследователь готов крикнуть «Эврика!», в какой-то лаборатории делают опыт, перечеркивающий все прежние гипотезы.

Отчаявшиеся биологи обратились к математике. Может быть, она сумеет обобщить лавину разнородных сведении, накопленных со времен Де Мэрана? Может быть, в сети дифференциальных уравнений наконец попадутся ускользающие часы?

Одну из математических моделей предложил кандидат физико-математических наук Л.Я. Фукшанский, работающий в Агрофизическом институте в Ленинграде. Ему удалось даже предсказать несколько новых эффектов, не подмеченных до той поры на живых растениях. Опыт подтвердил феномены, найденные на кончике пера... вернее, на ленте ЭВМ.

И все-таки... Все-таки даже эта наиболее полная модель не ответила на главный вопрос: что такое биочасы, где их искать.

Разгадка – в энергетике?

Кандидат физико-математических наук Евгений Евгеньевич Сельков, который работает в Институте биофизики АН СССР и с которым я по телефону поделился своими сомнениями, пообещал рассказать «кое-что интересное». Я уже знал, что он – по образованию инженер-кинотехник, работал в Институте кибернетики в Киеве, а в Пущине его пригласили за идеи по части обратной связи в биологических системах.

Теория обратной связи – краеугольный камень любых генераторов колебаний: радиотехнических, электрических, химических, биологических. Биологи шутливо называют конструкции с обратной связью системами типа «волки и овцы».

Представьте лес, полный волков, а рядом – поле с пасущимися овцами. Мы будем недалеки от истины, если предположим, что скорость размножения хищников окажется прямо пропорциональна тому, сколько они сожрут травоядных. Волков будет становиться все больше, а овец – меньше. В конце концов еды станет так мало, что зубастые ослабеют и примутся умирать с голоду. Оставленное в покое поголовье жвачных немедля возрастет, а отъевшиеся на нем хищники снова примутся усиленно размножаться, чтобы опять перевести чуть ли не всех овец и снова дойти до границы вымирания. Многие колебательные системы могут быть описаны таким способом, в том числе и биочасы. Вопрос только, где искать волков и где – овец.

В лаборатории кроме нескольких цветков на окне не было ничего, что указывало бы на биологический характер занятий ее сотрудников. Конторские столы завалены широкими бумажными лентами, на которых ЭВМ рисуют графики и печатают длиннющие колонки цифр. В картонных коробках виднелись аккуратно свернутые в рулончики узкие перфоленты, испещренные дырочками. Бесшумный электронный арифмометр – настольная вычислительная машина для простых расчетов. И никаких микроскопов.

– Мы математики, – заметил Е.Е. Сельков в ответ на мое озирание по сторонам. – Экспериментаторы открывают, мы обобщаем. Пока на уровне клетки. В ней еще многое непонятно, а через сколько десятилетий наука дойдет до понимания более сложных биочасов, это вам вряд ли кто сумеет сказать.

– Все-таки клетка? – спросил я.

– Да. Плюс математика. В разгадке биоритмов математический метод, думается, будет самым продуктивным.

До сих пор клетку изучали по методике, давным-давно разработанной радистами. Ведь когда радист исследует незнакомую аппаратуру, он отключает по одному блоки, входящие в нее, и смотрит, что получится. При известном опыта можно довольно точно выяснить, какой блок за что ответствен, и нарисовать принципиальную схему всей системы. Единственно, когда этот в общем хороший способ может подвести, – это когда конструктор ради надежности применит резервирование, т.е. если вместо одного блока одни и те же функции будут выполнять два, три или еще больше блоков. Тогда выключай почти что угодно, – система будет работать, как работала.

К чему я все это рассказываю? Биофизики отлично научились выключать в живой клетке чуть ли не любой процесс. Для этого в нее вводят специальные вещества – ингибиторы, «останавливатели», если буквально перевести с латинского. И вот, какие бы механизмы обмена веществ в клетке ни выключали, ее биочасы упорно продолжали тикать, циклическая деятельность не прекращалась.

– Часы не связаны с обменом веществ?

– Нет, связаны. Но не просто. А не увидели этого потому, что тут злую шутку сыграла логическая ошибка, тем более странная, что ее допустили биофизики и биологи. Они искали один-единственный механизм, один ключ к разгадке биочасов. Между тем мы прекрасно знаем, что природа никогда не довольствуется одним решением. Она устраивает несколько цепей, работающих параллельно, – почему же биочасам должно быть сделано исключение? Отсекая одну ветвь, экспериментаторы не задевали других, а в этом случае, как мы уже говорили, методика «выключения» блоков пасует.

Правда, Мано проделал один опыт: блокировал ингибитором процесс гликолиза, т.е. превращения глюкозы в пировиноградную кислоту, – и часы мгновенно замирали. На это возражали: гликолиз – основа энергетики клетки, ее «электростанция». Когда из розетки выдергивают шнур, лампочка гаснет. Остановили гликолиз – клетка замерла. И опыту особого значения не придал даже сам Мано. Хотя, как мы сейчас увидим, он был очень близок к цели.

А стало это нам вполне понятно, когда мы узнали о работе, которую провел со своими коллегами американский биофизик К. Питтендрик, давно уже занимающийся биочасами. Есть такая распространенная водоросль – эвглена зеленая, ее даже школьники изучают. Любимый объект для экспериментов по биофизике, уж очень с ней удобно работать. Питтендрик добавлял в воду, где она находилась, вещества, никакого отношения к ингибиторам не имеющие: пировиноградную, яблочную, ацетоуксусную кислоты. А часы – как и в опыте Мано – останавливались.

Вернее, почти как в опыте Мано, и это «почти» чрезвычайно важно для всего дальнейшего. Они останавливались не навсегда. Ритмика только ненадолго замирала, а потом все возвращалось «на круги своя».

Это была первая загадка: почему безобидные вещества воздействуют столь активно?

А вторая загадка оказалась еще любопытнее: ход часов восстанавливался в другой фазе.

– Понимаю. Цикл колебаний начинался «не с того места»?

– Совершенно верно. Представьте два одинаковых маятника. Они могут качаться либо строго «в ногу», либо так же строго навстречу друг другу, либо с небольшим рассогласованием, – в любом случае перед нами разные фазы колебаний одного маятника относительно другого. Если остановить один маятник, а потом снова пустить в ход, новые колебания будут, вообще говоря, в иной фазе относительно прежних.

То, что у Питтендрика «маятник» биочасов останавливался, а потом снова шел в другой фазе, как раз и означало, что вещества, которые добавлялись в воду, действовали словно останавливающая рука.

Почему же Питтендрик и его сотрудники не увидели «колебаний маятника»? Должно быть, сыграла роль традиция. Все кислоты, останавливавшие маятник биоритмики эвглены, связаны с энергетическими процессами в клетке. А традиционно считалось, что энергетика клетки прямого отношения к часам не имеет. Поддерживать колебания – пожалуйста, но не более того.

– Мы в нашей лаборатории, – продолжал Евгений Евгеньевич, – сопоставили опыты Мано и Питтендрика, и нам стало ясно, что если и искать механизм биочасов, так только в этих «запрещенных» энергетических процессах.

Вы спросите: какие мы поставили опыты? Никаких. Мы ведь математики все-таки. И потом, вспомните о резервировании реакций. Можно быть заранее уверенным, что природа нас обманет, включит резервную цепь. Их ведь у нее множество. Чтобы получить энергию, клетка «сжигает» жиры или глюкозу, а нет глюкозы – в дело пойдет фруктоза или молочная кислота... Пока что мы устраиваем опыты на бумаге – с помощью, разумеется, ЭВМ.

Часы без колесиков

Прежде всего Е.Е. Сельков и его коллеги приняли во внимание, что энергетические процессы в клетке – это реакции, в которых или синтезируется, или разлагается АТФ – аденозинтрифосфорная кислота. Она поистине вездесуща, клетка без нее мертва. Различные внутриклеточные синтезы, выделение и транспортировка веществ от одной части клетки к другой, управление реакциями, чисто механическая работа сокращения мышц – всюду мы непременно столкнемся с АТФ.

Во-вторых, из очень высокой стабильности хода биочасов (на частоту циклических процессов почти не влияет, например, изменение температуры) вытекало, что предполагаемая реакция идет с большой скоростью. Подробное объяснение уведет нас далеко, поэтому прошу просто поверить в то, что медленными реакциями стабильности не достичь. Так оказались «вне подозрений» все синтезы нуклеиновых кислот и белков, «по долгу службы» идущие неторопливо. Остались жирные кислоты, гликоген и аминокислоты, в паре с которыми АТФ участвует в «быстроходных» реакциях. Но...

Тут исследователей поджидало знаменитое «но», которое, как утверждает Чехов, часто встречается в рассказах потому, что жизнь полна неожиданностей.

Часам ведь свойствен ритм! Суточный! А реакции, которые выглядели кандидатами на механизм часов, быстры. Вот и извольте составить уравнение процесса, который был бы в одно и то же время быстр (стабильность) и медлен (ритм). Каково?

Над решением бились два года. Перебрали массу вариантов, и к 1969 г. стало ясно, что все-таки могут существовать такие внешне противоречивые, а внутренне очень логичные реакции. Суть дела – в «складах».

Без них никакое живое существо жить не в состоянии. Запасы «на черный день» организм делает чрезвычайно охотно, толстяки и дамы, следящие за фигурой, осведомлены об этом более чем хорошо. Накапливаются жиры, белки, гликоген – животный крахмал (у него очень красивая структурная формула: словно дерево с множеством веточек). Все эти вещества в трудную минуту превращаются в тот исходный продукт, из которого были созданы.

Гликоген, скажем, становится снова глюкозой.

И здесь я должен сделать одну оговорку. Я был не совсем точен, утверждая, что запасы расходуются только в трудную минуту. Дело обстоит сложнее. Они и расходуются, и не расходуются. Поддерживается динамическое равновесие: сколько расходуется, столько немедленно пополняется, так что в целом запас остается неизменным.

«Склады» велики. Полное обновление запасов происходит неторопливо. На это уходит практически столько же времени, сколько понадобилось бы, чтобы дочиста израсходовать все запасенное. На накопленном в организме жире человек может просуществовать без пищи почти месяц, лишь бы вода была. Зато гликоген исчерпается быстрее, примерно за сутки. Сутки...

Гликоген, как вы помните, клетка получает из глюкозы. В Пущине создали математическую модель расходования глюкозы, существенно отличающуюся от традиционной: в схеме появился «склад».

Раньше процесс выглядел так. Клетка получает откуда-то (откуда – не так уж важно) глюкозу и тратит АТФ на различные превращения этой глюкозы. В конце концов получается пировиноградная кислота, которой клетка распоряжается, как ей нужно, а кроме того выделяется свободная АТФ. И самое замечательное: ее образуется больше, чем было израсходовано. Что с этой разницей делает клетка?

Прежде на вопрос не было ответа. Но теперь, когда появился «склад», процесс стал понятен. Оказывается, АТФ не только перерабатывает глюкозу по обычной схеме, но и частично превращает ее в гликоген, который откладывается «про запас». Дополнительная же АТФ, полученная вместе с пировиноградной кислотой, идет на переработку глюкозы в гликоген, т.е. увеличивает объем «склада».

И круг замкнулся. Волки принялись кушать овец.

Чем больше поступает АТФ в «голову» процесса, тем быстрее расходуется принесенная извне глюкоза, тем больше образуется на «выходе» АТФ – словно маятник летит все выше и выше. В конце концов наступает момент, когда глюкозы становится так мало, что скорость ее потребления для переработки в гликоген и пировиноградную кислоту несколько уменьшается. На выходе системы уменьшается объем АТФ, соответственно и скорость потребления глюкозы падает еще значительнее. Маятник качнулся в обратную сторону.

Какова же задача «склада»? Он играет роль тормоза, замедляющего скорость игры в «волки и овцы». Во сколько раз масса глюкозы, запасенной в гликогене «склада», больше массы, переработанной в пировиноградную кислоту, во столько раз замедляются колебания «маятника». Быстрый процесс прямого превращения, гарантирующий стабильность хода биочасов, приобретает одновременно нужную медленность – период порядка суток.

Разработанная Е.Е. Сельковым и его товарищами схема объяснила и такую особенность живых часов, как нечувствительность периода к изменениям температуры. Это свойство было получено в придачу к разгадке медленных колебаний, как следствие внутренних особенностей модели.

А опыты, проделанные, в ФРГ и Японии на живых клетках, полностью подтвердили математическую гипотезу советских ученых. Она вполне убедительна, а самое главное – опирается на такое фундаментальное свойство организма, как запасание и расходование энергии.

Ничего таинственного нет в суточных циклах. Они сложились еще на заре зарождения жизни на планете, когда, так же как и сейчас, день сменялся ночью и живые организмы с суточной ритмичностью запасали энергию солнечного света. Иная частота попросту невыгодна.

И тема, к которой мы перейдем в следующей главе, посвящена тому, как Homo sapiens научился использовать энергию солнца на уровне уже не одного организма, а коллектива людей.

 

• Глава вторая. Под диктовку луны и солнца

Оглавление


Дата публикации:

15 декабря 1999 года

Электронная версия:

© НиТ. Раритетные издания, 1998

В начало сайта | Книги | Статьи | Журналы | Нобелевские лауреаты | Издания НиТ | Подписка
Карта сайта | Cовместные проекты | Журнал «Сумбур» | Игумен Валериан | Техническая библиотека
© МОО «Наука и техника», 1997...2017
Об организацииАудиторияСвязаться с намиРазместить рекламуПравовая информация
Яндекс цитирования
Яндекс.Метрика