Симон шноль биологические часы. Биологические часы. Существуют гены биологических часов

Анаэробные бактерии – это те, которые в отличие от аэробных бактерий, способны выживать и расти в среде с небольшим количеством кислорода или его полным отсутствием. Многие из этих микроорганизмов живут на слизистых (во рту, во влагалище) и в кишечнике человека, становясь причиной инфекции при повреждении тканей.

Примерами самых известных заболеваний и состояний, к которым такие бактерии приводят, являются синусит, инфекции ротовой полости, акне, воспаление среднего уха, гангрены и абсцессы. Также они могут попадать и извне через рану или при употреблении зараженной пищи, вызывая такие страшные заболевания, как ботулизм, . Но кроме вреда, некоторые виды приносят пользу человеку, например, превращая в толстой кишке токсичные для него сахара растительного происхождения в полезные для ферментации. Также анаэробные бактерии на ряду с аэробными играют свою важную роль в экосистеме, принимая участие в разложении останков живых существ, но не такую большую, как грибы в этом плане.

Классификация

Анаэробные бактерии в свою очередь делятся на 3 группы по переносимости кислорода и потребности в нем:

Факультативные – способны расти аэробно или анаэробно, т.е. в присутствии или отсутствии O 2.
Микроаэрофилы – требует низкой концентрации кислорода (например, 5%), а для многих из них нужна высокая концентрация CO 2 (например, 10%); при полном отсутствии кислорода растут очень слабо.
Облигатные (обязательные, строгие) – неспособны к аэробному метаболизму (развиваться при наличии кислорода), но имеют различную переносимость к O 2 (способность выживать некоторое время).

Облигатные анаэробы размножаются на участках с низким окислительно-восстановительным потенциалом (например, в некротической, омертвевшей ткани). Кислород для них токсичен. Существует классификация их по его переносимости:

Строгие – выдерживают только ≤0,5% O 2 в воздухе.
Умеренные – 2-8% O 2 .
Аэротолерантные анаэробы – переносят атмосферный O2 в течение ограниченного времени.

Средний процент кислорода в земной атмосфере – 21.

Примеры строгих анаэробных бактерий

Облигатные анаэробные бактерии, которые обычно являются причиной инфекций, могут переносить атмосферный O 2 в течение минимум 8 часов и часто до 3 суток. Они являются основными компонентами нормальной микрофлоры на слизистых оболочках, особенно во рту, нижних отделах желудочно-кишечного тракта и влагалища; эти бактерии вызывают заболевание, когда нарушаются нормальные слизистые барьеры.

Грамотрицательные анаэробы

Бактероиды или лат. Bacteroides (самые распространенные): внутрибрюшные инфекции;
Fusobacterium: абсцессы, раневые инфекции, легочные и внутричерепные инфекции;
Профирмонады или Porphyromonas: аспирационная пневмония и периодонтит;
Превотеллы или Prevotella: инфекции внутрибрюшной и мягкой ткани.

Грамположительные анаэробы и некоторые из инфекций, которые они вызывают, включают:

Актиномицеты или Actinomyces: инфекции в области головы и шеи, брюшные и тазовые, а также аспирационная пневмония (актиномикоз);
Клостридии или Clostridium: внутрибрюшные инфекции(например, клостридиальный некротизирующий энтерит), инфекции мягких тканей и газовая гангрена, которую вызвывает вид C. perfringens; пищевое отравление из-за C. perfringens типа A; ботулизм из-за C. botulinum ; столбняк из-за C. tetani; Difficile – индуцированная диарея (псевдомембранозный колит);
Пептострептококки или Peptostreptococcus: пероральные, респираторные и внутрибрюшные инфекции;
Пропионовокислые бактерии или Propionibacterium – инфекции инородных тел (например, в шунтировании спинномозговой жидкости, протезном суставе или сердечном устройстве).

Анаэробные инфекции обычно являются гнойными, вызывают образование абсцесса и некроза тканей, а иногда и септический тромбофлебит или газообразование, или и то, и другое. Многие анаэробы производят разрушающие ткани ферменты, а также некоторые из самых мощных паралитических токсинов, известных на сегодня.

Например, ботулотоксин, вырабатываемый бактериями Clostridium botulinum, которые вызывают ботулизм у человека, применятся в косметологии в виде инъекций для разглаживания морщин, так как он парализует подкожные мышцы.

Обычно в инфицированных тканях присутствует несколько видов анаэробов, часто присутствуют также аэробы (полимикробные или смешанные инфекции).

Признаки того, что инфекция вызвана анаэробными бактериями:

Полимикробные результаты по окраске методом Грамма или высевании бактерий.
Образование газа в гнойных или инфицированных тканях.
Гнойный запах из зараженных тканей.
Некроз (отмирание) инфицированных тканей.
Место заражения вблизи слизистой оболочки, где обычно находится анаэробная микрофлора.

Диагностика

Образцы анаэробной культуры должны быть получены путем аспирации или биопсии из участков, которые в норме их не содержат. Доставка в лабораторию должна быть оперативной, а оборудование для транспортировки должно обеспечивать безкислородну среду с углекислым газом, водородом и азотом. Мазки лучше всего транспортировать в анаэробно стерилизованной полутвердой среде, такой как транспортная среда Кэри-Блэр (специальный раствор, содержащий минимум питательных веществ для размножения бактерий, и веществ, способных их убить).

Анаэробы - это микробы, способные расти и размножаться без доступа свободного кислорода. Токсическое действие кислорода на анаэробов связано с подавлением активности ряда бактериальных . Различают факультативные анаэробы, способные изменять анаэробный тип дыхания на аэробный, и строгие (облигатные) анаэробы, имеющие только анаэробный тип дыхания.

При культивировании строгих анаэробов применяют химические способы устранения кислорода: добавляют в среду, окружающую анаэробов, вещества, способные поглощать кислород (например, щелочной раствор пирогаллола, гидросульфит натрия), либо вводят в состав вещества, способные восстанавливать поступающий кислород (например, и др.). Можно обеспечить анаэробов физическими способами: механически удалять из питательных сред перед посевом путем кипячения с последующей заливкой поверхности среды жидким , а также использовать анаэростат; производить посев уколом в высокий столбик питательного агара, заливая его затем вязким вазелиновым маслом. Биологический способ обеспечения бескислородных условий для анаэробов состоит в комбинированном, совместном посеве культур и анаэробов.

К патогенным анаэробам относятся палочки , возбудители (см. Клостридии). См. также .

Анаэробы - микроорганизмы, способные существовать и нормально развиваться без доступа свободного кислорода.

Термины «анаэробы» и «анаэробиоз» (жизнь без доступа воздуха; от греч. отрицательной приставки anaer - воздух и bios-жизнь) предложил Л. Пастер в 1861 г. для характеристики условий существования открытых им микробов маслянокислого брожения. Анаэробы обладают способностью разлагать в бескислородной среде органические соединения и таким образом получать необходимую энергию для своей жизнедеятельности.

Анаэробы широко распространены в природе: они обитают в почве, иле водоемов, компостных кучах, в глубине ран, в кишечнике людей и животных - всюду, где происходит разложение органических веществ без доступа воздуха.

По отношению к кислороду анаэробы делятся на строгие (Облигатные) анаэробы, которые не способны расти в присутствии кислорода, и условные (факультативные) анаэробы, которые могут расти и развиваться как в присутствии кислорода, так и без него. К первой группе относится большинство анаэробов из рода Clostridium, бактерии молочнокислого и маслянокислого брожения; ко второй группе - кокки, грибки и др. Кроме этого, существуют микроорганизмы, требующие для своего развития небольшой концентрации кислорода,- микроаэрофилы (Clostridium histolyticum, Clostridium tertium, некоторые представители рода Fusobacterium и Actinomyces).

Род Clostridium объединяет около 93 видов палочковидных грамположитсльных бактерий, образующих терминальные или субтерминальные споры (цветн. рис. 1-6). К патогенным клостридиям принадлежат Cl. perfringens, Cl. oedema-tiens, Cl. septicum, Cl. histolyticum, Cl. sordellii, являющийся возбудителями анаэробной инфекции (газовой гангрены), гангрены легких, гангренозного аппендицита, послеродовых и послеабортных осложнений, анаэробных септицемий, а также пищевых отравлений (Cl. perfringens, типы А, С, D, F).

Патогенными анаэробами являются также Cl. tetani - возбудитель столбняка и Cl. botulinum - возбудитель ботулизма.

Род Bacteroides включает 30 видов бактерий палочковидной формы, не образующих спор, грамотрицательных, большинство из них является строгими анаэробами. Представители этого рода обнаруживаются в кишечном и мочеполовом трактах человека и животных; некоторые виды патогенны, вызывают септицемию и абсцессы.

Анаэробы рода Fusobacterium (небольшие палочки с утолщением на концах, не образующие спор, грамотрицательные), являющиеся обитателями полости рта человека и животных, в ассоциации с другими бактериями вызывают некробациллез, ангину Венсана, гангренозные стоматиты. Анаэробные стафилококки рода Peptococcus и стрептококки рода Peptostreptococcus обнаруживаются у здоровых людей в дыхательных путях, во рту, влагалище, кишечнике. Кокки-анаэробы вызывают различные гнойные заболевания: абсцесс легких, мастит, миозит, аппендицит, сепсис после родов и абортов, перитонит и т. п. анаэробы из рода Actinomyces вызывают актиномикоз у людей и животных.

Некоторые анаэробы также выполняют полезные функции: способствуют перевариванию и усвоению питательных веществ в кишечнике людей и животных (бактерии маслянокислого и молочнокислого брожения), участвуют в круговороте веществ в природе.

Способы выделения анаэробов основаны на создании анаэробных условий (снижении парциального давления кислорода в среде), для создания которых применяют следующие методы: 1) удаление кислорода из среды путем выкачивания воздуха или вытеснения индифферентным газом; 2) химическое поглощение кислорода при помощи гидросульфита натрия или пирогаллола; 3) комбинированное механическое и химическое удаление кислорода; 4) биологическое поглощение кислорода облигатными аэробными микроорганизмами, посеянными на одной половине чашки Петри (метод Фортнера); 5) частичное удаление воздуха из жидкой питательной среды путем кипячения ее, добавления редуцирующих веществ (глюкоза, тиогликолат, цистеин, кусочки свежего мяса или печени) и заливки среды вазелиновым маслом; 6) механическая защита от кислорода воздуха, осуществляемая путем посева анаэробов в высокий столбик агара в тонких стеклянных трубках по методу Вейона.

Методы идентификации выделенных культур анаэробов - см. Анаэробная инфекция (микробиологическая диагностика).

Анаэробные бактерии способны развиваться в условиях отсутствия свободного кислорода в окружающей среде. Вместе с другими микроорганизмами, обладающими подобным уникальным свойством, они составляют класс анаэробов. Различают два вида анаэробов. Как факультативные, так и облигатные анаэробные бактерии можно обнаружить практически во всех образцах материала патологического свойства, они сопровождают различные гнойно-воспалительные заболевания, могут быть условно-патогенными и даже иногда патогенными.

Анаэробные микроорганизмы, относящиеся к факультативным, существуют и размножаются и в кислородной, и в бескислородной среде. Наиболее ярко выраженными представителями этого класса являются кишечная палочка, шигеллы, стафилококки, иерсинии, стрептококки и другие бактерии.

Облигатные микроорганизмы не могут существовать в присутствии свободного кислорода и погибают от его воздействия. Первая группа анаэробов этого класса представлена спорообразующими бактериями, или клостридиями, а вторая бактериями, не образующими спор (неклостридиальные анаэробы). Клостридии зачастую являются возбудителями анаэробных одноимённых инфекций. Примером может явиться клостридиальная ботулизм, столбняк. Неклостридиальные анаэробы представляют собой грамположительные и Они имеют палочковидную или шаровидную форму, наверняка Вы встречали в литературе названия их ярких представителей: бактероиды, вейллонеллы, фузобактерии, пептококки, пропионибактерии, пептострептококки, эубактерии и др.

Неклостридиальные бактерии в основной своей массе являются представителями нормальной микрофлоры и у человека, и у животных. Также они могут участвовать в развитии гнойно-воспалительных процессов. К ним относятся: перитонит, пневмония, абсцесс легких и головного мозга, сепсис, флегмоны челюстно-лицевой области, отит и др. Для основной массы инфекций, которые вызывают анаэробные бактерии неклостридиального типа, характерно проявлять свойства эндогенных. Развиваются они в основном на фоне снижения резистентности организма, которое может возникнуть в результате травмы, охлаждения, оперативного вмешательства, нарушения иммунитета.

Для объяснения способа поддержания жизнедеятельности анаэробов стоит уяснить основные механизмы, по которым происходит аэробное и анаэробное дыхание.

Представляет собой окислительный процесс, основанный на Дыхание приводит к расщеплению субстрата без остатка, результатом являются расщеплённые до бедных энергией представителей неорганики. В результате происходит мощный выход энергии. В качестве важнейших субстратов для дыхания выступают углеводы, но и белки, и жиры могут расходоваться в процессе аэробного дыхания.

Ему соответствует два этапа протекания. На первом происходит бескислородный процесс постепенного расщепления субстрата для высвобождения атомов водорода и связывания с коферментами. Второй, кислородный этап, сопровождается дальнейшим отщеплением от субстрата для дыхания и постепенным его окислением.

Анаэробное дыхание используют анаэробные бактерии. Они используют для окисления дыхательного субстрата не молекулярный кислород, а целый перечень окисленных соединений. Ими могут быть соли серной, азотной, угольной кислот. В ходе анаэробного дыхания они превращаются в восстановленные соединения.

Анаэробные бактерии, осуществляющие такое дыхание в качестве конечного акцептора электронов, используют не кислород, а неорганическое вещества. По их принадлежности к определённому классу различают несколько типов анаэробного дыхания: нитратное дыхание и нитрификация, сульфатное и серное дыхание, «железное» дыхание, карбонатное дыхание, фумаратное дыхание.

Бактерии присутствуют везде, их количество огромное, виды разные. Анаэробные бактерии – те же виды микроорганизмов. Могут развиваться и жить независимо, есть ли кислород в средах их питания или его не существует совсем.

Энергию анаэробные бактерии получают при субстратном фосфорилировании. Существуют аэробы факультативного вида, облигатного или других разновидностей анаэробных бактерий.

Факультативные виды бактерий есть почти везде. Причина их существования – изменение одного метаболического пути на совершенно другой. К этому виду относят кишечную палочку, стафилококки, шигеллу, прочие. Это опасные анаэробные бактерии.

Если отсутствует свободный кислород, то облигатные бактерии гибнут.

Располагаются по классам:

Клостридии – облигатные типы аэробных бактерий, могут образовывать споры. Это возбудители ботулизма или столбняка.
Неклостридиальные анаэробные бактерии . Разновидности из микрофлоры живых организмов. Играют существенную роль при образовании разных гнойных заболеваниях и воспалительных. Неспорообразующие типы бактерий живут в полости рта, в ЖКТ. На кожных покровах, в половых органах женщин.
Капнеистические анаэробы . Живут при преувеличенном скоплении углекислоты.
Аэротолерантные бактерии . При наличии молекулярного кислорода этот тип микроорганизмов никого дыхания не имеет. Но и не погибает.
Умеренно-строгие типы анаэробов . В среде с кислородом не погибают, не размножаются. Бактерии этого вида для жизни требуют среду питания со сниженным давлением.

Анаэробы – бактероиды

Считаются более важными аэробными бактериями. Составляют 50% от всех воспалительных и гнойных видов. Возбудителями их являются анаэробы бактерии или бактероиды. Это граммотрицательные облигатные типы бактерий.

Палочки с биполярной окрашиваемостью и размерами от 0,5 и до 1,5, на площадях примерно в 15 мкм. Могут производить выработку ферментов, токсинов, вызвать вирулентность. Зависят по устойчивости от антибиотиков. Могут быть устойчивыми, или просто чувствительными. Все анаэробные микроорганизмы очень устойчивые.

Образование энергии для грамотрицательных облигатных анаэробов осуществляется в человеческих тканях. Некоторые из тканей организмов имеют увеличенную устойчивость к уменьшенному значению кислорода в среде питания.

В условиях стандарта синтез аденозинтрифосфата выполняется только аэробным способом. Это происходит при увеличенных физических усилиях, воспалениях, где действуют анаэробы.

АТФ – это аденозинтрифосфат или кислота, которая появляется во время образования энергии в организме. Есть несколько вариаций синтеза данного вещества. Один из них аэробный, или составляет три вариации анаэробов.

Анаэробные механизмы для синтеза аденозинтрифосфата:

перефосфорилирование, которое осуществляется между аденозинтрифосфатом и креатинфосфатом;
образование трансфосфорилирования молекул аденозинтрифосфата;
анаэробное расщепление составляющих крови глюкозы, гликогена.

Образование анаэробов

Предназначение микробиологов – культивирование бактерий анаэробов. Чтобы это осуществлять требуется специализированная микрофлора, и концентрация метаболитов. Применяют его обычно при исследованиях разного характера.

Есть специальные методы по взращиванию анаэробов. Происходят при замене воздуха на смеси газов. Происходит действие в термостатах с герметизацией. Так растут анаэробы. Другой метод – взращивание микроорганизмов с добавкой редуцирующих средств.

Сфера питания

Есть сфера питания с общим видом или дифференциально-диагностическим. Базовой – для вида Вильсона-Блера служит агар-агар, имеющий среди составляющих некоторое содержание глюкозы, 2-х хлористого железа, натриевый сульфит. Есть среди них колонии, которые называют черными.

Сферу Ресселя применяют при исследовании биохимических качеств бактерий с названием сальмонеллы или шигеллы. Эта среда может в составе иметь и глюкозу, и агар-агар.

Среда Плоскирева такая, что может сдерживать рост некоторых микроорганизмов. Они составляют множество. По этой причине ее применяют для возможности дифференциально-диагностической. Здесь могут с успехом вырабатываться дизентерийные возбудители, брюшного тифа, прочие болезнетворные анаэробы.

Главное направление среды агаров висмут-сульфитных – этот метод предназначен выделение сальмонелл. Это выполняется при умении сальмонелл вырабатывать сероводород.

В организме каждой живой особи, живет множество анаэробов. Они вызывают у них разнообразные виды инфекционных заболеваний. Заражение инфекцией может происходить лишь при ослабленном иммунитете или срывах микрофлоры. Есть вероятность попадания инфекций в живой организм из среды обитания. Это может быть осенью, в зимний период. Такое попадание инфекций сохраняется на протяжении перечисленных периодов. Вызываемый недуг иногда дает осложнения.

Инфекции, вызванные микроорганизмами – анаэробными бактериями, напрямую увязаны с флорой слизистых оболочек живых особей. С проживанием мест анаэробов. У каждой инфекции существует несколько возбудителей. Их количество доходит обычно до десяти. Абсолютно уточненное количество заболеваний, вызывающий анаэроб, с точностью определить нельзя.

Из-за трудного отбора материалов, предназначенных для изучения перевозки образцов, определения бактерий. Поэтому данный вид составляющих зачастую обнаруживается только при уже хронических воспалениях у человека. Это пример невнимательного отношения к своему здоровью.

Анаэробным инфекциям периодически подвергаются абсолютно все люди с разными возрастами. У малых детей степень инфекционных воспалений намного больше, чем у людей другого возраста. Анаэробы зачастую вызывают у человека заболевания внутри черепа. Абсцессы, менингиты, прочие виды заболеваний. Распространение анаэробов выполняется с током крови.

Если у человека заболевание хроническое, то анаэробы могут образовывать аномалии в области шеи или головы. Например: абсцессы, отит или лимфадениты. Бактерии опасны для ЖКТ, легких пациентов.

Если у женщины существуют болезни мочеполовой системы, то появляется риск возникновения анаэробных инфекций. Разные болезни кожи, суставов – это тоже следствие жизни анаэробов. Этот способ один из первых говорит о наличии инфекции.

Причины для появления инфекционных заболеваний

К появлению инфекций человека приводят те процессы, при которых на его организм попадают энергичные бактерии-анаэробы. Развитию болезни может сопутствовать неустойчивое кровоснабжение, появление некроза тканей. Это могут травмы разного характера, отечность, опухоли, нарушения сосудов. Появление инфекций в полости рта, заболевания в легких, воспаление тазовых органов, прочие болезни.

Инфекция может развиваться своеобразно для каждого вида. На развитие влияет тип возбудителя инфекции, здоровье пациента. Диагностировать такие инфекции затруднительно. Серьезность диагностов зачастую основана лишь на одних предположениях. Существует отличие особенностей инфекций, которые возникают от неклостридиальных анаэробов.

Первейшие признаки при заражениях – это газообразование, какие-либо нагноения, появления тромбофлебита. Иногда в качестве признаков могут быть опухоли или новообразования. Они могут быть новообразованиями ЖКТ, маточными. Сопровождаются формированием анаэробов. В это время от человека может исходить неприятный запах. Но, даже если запаха не существует, это не означает, что анаэробов, как возбудителей для инфекции, в данном организме нет.

Особенности для получения образцов

Первейшее исследование при инфекциях, вызванных анаэробами – это внешний осмотр общего вида человека, его кожных покровов. Потому что наличие кожных заболеваний у человека – это осложнения. Они свидетельствуют, что о жизнедеятельности бактерий наличием газов в зараженных тканях.

При лабораторных исследованиях, определения уточненного диагноза, необходимо правильно заполучить образец зараженной материи. Зачастую применяют специализированную технику. Самым лучшим методом получения образцов считается аспирация, выполненная с помощь прямой иглы.

Виды проб, несоответствующие возможности продолжения анализов:

мокрота, приобретенная самовыделением;
пробы бронхоскопии;
виды мазков от сводов влагалища;
моча от свободного мочеиспускания;
виды фекалий.

Исследованиям подлежат пробы:

крови;
жидкости плевральной;
транстрахеальных аспиратов;
гноя, взятого из абсцессов
жидкости из мозга спины;
пунктатов легких.

Образцы перемещать по месту назначения надо оперативно. Выполняется работа в специализированном контейнере, иногда в сумке из пластмассы.

Она должна быть предназначена к анаэробным условиям. Потому что взаимодействие образцов с кислородом воздуха, может вызывать полную гибель бактерий. Жидкие виды образцов перемещают в пробирках, иногда прямо в шприцах.

Если для исследований перемещают тампоны, то их перевозят только в пробирках с наличием углекислых газов, иногда с предварительно изготовленными веществами.

Окончание. См. № 44/2004

Биологические часы

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.

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.

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.

Публикация статьи произведена при поддержке интернет магазина часов и подарков www.095SHOP.ru. Воспользовавшись предложением интернет магазина www.095SHOP.ru, Вы сможете по выгодной цене и с доставкой по всей России купить часы , шкатулки, ручки, принадлежности для курения, аксессуары из кожи, и многие другие подарки и сувениры. В большой каталог предлагаемых часов, входят метеостанции, наручные, напольные, каминные и настенные часы, от ведущих мировых производителей. Все предлагаемые товары сопровождаются подробным описанием и фотографиями внешнего вида, что вместе с комментариями других покупателей и консультацией специалистов интернет магазина www.095SHOP.ru поможет с выбором подарка.

Литература

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.