Приливные вариации активности радона как возможный фактор синхронизации некоторых биологических процессов

Синхронность вариаций приливной силы и некоторых биопроцессов

В последнее время подчеркивается важность исследований влияния геофизических полей, т. е. полей, формируемых геодинами- ческими процессами, на живые организмы и экосистемы [Владимирский, 1998; Адушкин и Спивак, 2012]. Корреляции и общие периодичности процессов в биосистемах и в геофизических полях представляют значительный интерес.

Такие корреляции установлены в случае влияния солнечной активности на биосферу, начиная с работ А. Л. Чижевского [Чижевский, 1976]. Полагают [Владимирский, 1998], что солнечная активность, в частности солнечные вспышки, воздействуют на биосистемы посредством таких факторов, как вариации в естественном фоне электромагнитных полей низких — сверхнизких частот, генерируемых в магнитосфере; вариации интенсивности УФ-В-излучения; уровень радиоактивности атмосферы, обусловленный вариациями концентрации радона-222, возрастающий во время магнитных бурь; изменение напряженности атмосферного электрического поля; космическое излучение и других [Там же]. Однако физические механизмы влияния таких слабых и сверхслабых факторов на биосистемы остаются неясными [Там же].

Хорошо известна синхронность физиологических процессов и поведения организмов с морскими и океаническими приливами [Naylor, 2001; Chabot and Watson, 2010; Barlow, 2012; Zantke et al., 2013; Zhang et al., 2013]. Океанический приливной период, соответствующий подъему и понижению уровня воды, составляет в среднем 12,4 часа (циркаприливной ритм). Прилив модулируется в течение лунного цикла (29,53 суток); (наибольший) сизигийный прилив имеет место на новую или полную Луну. Соответственно, различают следующие основные периоды, связанные с Луной: 12,4 часов, 24,8 часов, 14,77 суток и 29,53 суток.

Синхронизация с морским приливом имеет адаптивное значение. Синхронизация созревания и размножения некоторых организмов с определенными лунными фазами может помогать в нахождении партнера, выборе внешних благоприятных условий и избегании хищников [Naylor, 2001; Zantke et al., 2013; Chabot and Watson, 2010]. Яйцеклетки в ряде таких организмов развиваются к наступлению и созревают около определенной лунной фазы (для размножения с лунно-месячным циклом), сизигийных приливов (двухнедельный полулунно-месячный цикл) или суточных приливов (для циркаприливного цикла размножения) [Takemura et al., 2010]. При этом производство половых стероидных гормонов варьирует в соответствие с указанным синхронным развитием яйцеклеток.

Полагают, что циркаприливные ритмы могут устанавливаться как сигналами окружающей среды, так и внутренними биологическими часами. Предложены три основные гипотезы: 1) имеются отдельные циркаприливные и циркадианные биологические часы [Naylor, 2001]; 2) функционирует пара циркалунных часов (с лунно-суточным периодом 24,8 часа) в противофазе [Palmer, 2000]; 3) имеются единые бимодальные часы, которые регулируют и циркадианный ритм, и циркаприливной [Enright, 1976].

Синхронизация с приливом циклов метаболизма, физиологии, репродукции и поведения, установленная для ряда организмов (животных и растений), обитающих в прибрежной зоне, имеет место и при переносе организмов в постоянные лабораторные условия [Naylor, 2001; Zhang et al., 2013]. Так, наряду с обычными циркадианными циклами устойчивые циркаприливные циклы, ассоциированные с биологическими часами, наблюдаются для ракообразного Euridice pulchra на поведенческом, физиологическом и молекулярном уровнях [Zhang et al., 2013]. С помощью РНК-интерференции, модулирующей экспрессию генов, регулирующих циркадианные часы, и применения яркого постоянного света, элиминирующего циркадианные ритмы, установлено, что экспрессия циркадианных водителей ритма (генов Euridice pulchra time и period) не связана с циркаприливными биологическими часами (несмотря на изменения циркадианных ритмов в поведении и генной экспрессии, циркаприливной ритм оставался без изменений). При этом, однако, ингибирование казеин-киназы 1 влияло как на циркадианные, так и на циркаприливные ритмы активности, что свидетельствует о вовлечении опосредуемого этой киназой фосфорилирования в механизмы обоих часов. Аналогичные результаты получены для мангорового сверчка Apteronemobius asahinai [Takekata et al., 2012] и морского червя Platyneris dumerilii [Zantke et al., 2013]. В последнем случае показано наличие биологических часов с периодом лунного месяца, контролирующих репродуктивность, и независимость этих часов от осцилляций экспрессии некоторых ключевых генов циркадианных часов. С другой стороны, экспрессия генов циркадианных часов period, clock, pdpl, timeless осциллирует не только в соответствии с циркадианным ритмом, но и в соответствии с лунными фазами, что свидетельствует о вхождении этих генов в циркалун- ные часы. Интересно, что при этом циркадианная активность значительно различается между различными фазами Луны. Обнаружено тесное взаимодействие между циркадианными и циркалунными часами на генетическом уровне [Kaiser et al., 2011; Kaiser and Heckel, 2012]. Эти результаты свидетельствуют о том, что циркаприливные и циркалунные часы могут иметь молекулярные механизмы, отличающиеся от механизмов циркадианных часов, но, вместе с тем, эти часы связаны между собой. Интересно, что эволюционно циркаприливные часы могли предшествовать циркадианным, являясь более фундаментальными.

Циркаприливная экспрессия генов может быть достаточно значительной, так, по меньшей мере, 5 % транскриптома жабр двустворчатого моллюска Mytilus californianus показывают циркаприливную ритмическую экспрессию генов [Connor and Gracey, 2011; Mat et al., 2014].

Механизмы, обусловливающие циркаприливные ритмы, до сих пор неясны. Полагают, что синхронизирующими приливными сигналами могут быть изменения давления, температуры и солености воды, скорости течения, степени турбулентности [Zhang et al., 2013; Chabot and Watson, 2010].

Однако перечисленные факторы не могут соответствовать сравнительно недавно обнаруженной синхронности некоторых процессов в биосистемах вне прибрежной зоны с вариациями лунно-солнечного гравитационного прилива в земной коре [Vorobeitchikov et al., 2004; Barlow et al., 2008; Barlow et al., 2010; Fisahn et al., 2012; Barlow and Fi- sahn, 2012; Moraes et al., 2012; Gallep et al., 2013; Barlow, 2012; Barlow et al., 2013].

С помощью видеосъемки высокого разрешения с временными интервалами по полчаса установлено [Fisahn et al., 2012; Barlow and Fisahn, 2012], что скорости удлинений первичных корней проростков Arabidopsis thaliana в условиях постоянной освещенности, влажности и температуры осциллируют с периодом 24,8 ч, совпадающим с лунными сутками. Первоначально рост проростков наблюдался в условиях периодических изменений освещенности: 12 ч/12 ч и 16 ч/8 ч (соответственно свет/темнота) в течение 4 дней. В этих условиях скорости удлинений осциллировали с периодом 24,0 ч. Далее осуществлялся переход к постоянному освещению, при этом период осцилляций увеличивался примерно до 24,8 ч, что совпадает со средним периодом лунных суток. Максимальные скорости удлинений совпадали с минимальными значениями приливного ускорения. Тот же период 24,8 ч характеризует также и рост в условиях постоянной освещенности без предварительной периодической смены освещенности. Во всех случаях установлена значительная корреляция между скоростями удлинений и вариациями гравитационной силы в месте проведения эксперимента (кросс-корреляционный коэффициент 0,90 - 0,96) (следует отметить, что вариации приливной силы в данный момент времени и в данном месте проведения эксперимента могут быть точно вычислены). Аналогичные результаты получены и для условий непрерывной темноты в течение первых 4 дней с дальнейшим непрерывным освещением, что позволяет более однозначно связать данную синхронизацию с вариациями гравитационной силы [Fisahn et al., 2012]. Это явление захвата частоты осцилляций скоростей удлинений корней вариациями гравитационного прилива носит общий характер, имея место для различных генотипов и в разные времена года. Вариации удлинения первичных корней могут зависеть от вариаций скоростей удлинения клеток, преимущественно в зоне растяжения, которые определяются периодическим движением воды [Barlow and Fisahn, 2012] и соответствующим растяжением клеточных стенок (концентрация К+ и других ионов, поглощаемых клеткой, а также иных осмотически активных веществ в клетке приводит к поступлению в клетку воды и увеличению тургорного давления содержимого клетки на клеточную оболочку, растяжению последней). Это движение воды регулируется проницаемостью клеточных мембран и соответствующими механизмами пассивной диффузии и активного метаболического транспорта с участием протеинов, в частности ионных каналов и аквапоринов [Там же]. Важную роль в регуляции роста клетки растяжением в различных тканях играют фитогормоны ауксины [Sauer et al., 2013].

Обнаружено [Barlow et al., 2008; Barlow and Fisahn, 2012], что при постоянных освещенности и других внешних условиях автономные никтинастические движения листьев растений семейства бобовых (например, Phaseolus multiflorus и Canavalia ensiformis) также согласованы с гравитационным приливом. Исследования с использованием различных режимов чередования освещенности показали, что «точки поворота» - времена, когда данный лист начинает свое быстрое движение вниз из верхнего положения или движение вверх из нижнего положения, соответствуют точкам экстремума гравитационной силы. Ритмическое движение листьев семейства бобовых обусловлено разнонаправленными реакциями дорсальных и вентральных клеток листовой подушечки на ритмические вариации тургора с соответствующими изменениями концентрации ионов к+ в этих клетках. В эти процессы вовлечены протон-транспортирующая АТФ-аза плазматической мембраны, ионные каналы (например, к+ -каналы), аквапори- ны и электрический потенциал плазматической мембраны [Barlow and Fisahn, 2012].

С помощью экстензометрии высокого разрешения обнаружена [Barlow et al., 2010; Barlow and Fisahn, 2012] высокая согласованность между вариациями ускорения гравитационного прилива и суточными вариациями диаметра стволов деревьев. Эти синхронные с приливом вариации диаметра имеют место как для деревьев в условиях контролируемых освещенности, температуры и влажности, так и для сегментов стволов, отделенных от корневой системы и кроны. В последнем случае осцилляции продолжаются в течение нескольких месяцев, пока жив камбий. Эти вариации наблюдаются как в темноте, так и при постоянной освещенности. Так, для помещенных в темноту деревьев Picea abies в постоянных внешних условиях имела место почти полная синхронность между вариациями гравитационной силы и вариациями диаметра ствола (в этих экспериментах имела место минимальная транспирация). Кросс- корреляционный анализ также показал значительное соответствие между указанными вариациями (с временной задержкой около 1 ч). Интересно, что и в естественных условиях (с учетом вариаций температуры, влажности и других параметров окружающей среды) также обнаружено некоторое соответствие экстремумов зависимостей вариаций диаметра ствола и приливной гравитационной силы от времени. Полагают, что вариации диаметра ствола, синхронные с вариациями гравитационной силы, могут быть обусловлены наполнением эластичной ткани камбия и молодой вторичной флоэмы водой, которое следует за ростом гравитационной силы [Barlow and Fisahn, 2012]. При этом может быть задействован ритмический перенос воды между симпластом (клеточная цитоплазма, соединенная плазмодесмами) и апопластом (внеклеточной структурой) [Barlow and Fisahn, 2012].

Обнаружено, что суточные и месячные вариации спонтанного сверхслабого излучения (ССИ) в видимом диапазоне проростков пшеницы в условиях отсутствия освещения и при постоянных внешних условиях синхронизованы с вариациями ускорения лунно-солнечного прилива в месте проведения эксперимента, с близкими периодическими компонентами [Moraes et al., 2012; Gallep et al., 2013]. При этом вариации ССИ согласованы с вариациями скорости развития проростков, оцениваемой по сумме длин колеоптиля и корня, и изменяются с ними в одинаковых степенях. По приведенным данным [Moraes et al., 2012], максимум ССИ и скорости роста устойчиво воспроизводится в интервал времени сразу после полной Луны (фаза Луны соответствует 0-30 градусам). Изменения интенсивности ССИ могут быть связаны с изменениями в ферментативных реакциях, сопровождающихся генерацией активных форм кислорода и азота.

Обнаружены свидетельства тому, что вариации приливного ускорения регулируют содержание воды в ксилеме [Barlow and Fisahn, 2012], а также влияют на вариации транспирации [Barlow et al., 2010].

Подобные явления не ограничиваются растениями. Экспериментальные исследования in vitro [Vorobeitchikov et al., 2004] показывают, что в периоды новолуния и полнолуния ускоряется процесс размножения кишечной палочки Е. Coli.

Также обнаружено влияние фаз Луны на продуцирование активных форм кислорода и хемилюминесценцию в растворах бикарбонатов (компонента цитоплазмы и биологических жидкостей) [Воейков и др., 2012].

Однако не только механизмы, но и факторы предполагаемого влияния Луны на живые организмы в этих экспериментах неясны. Некоторые исследователи предполагают, что они связаны напрямую с гравитационной силой и соответствующим движением воды, подобным изменениям уровня воды в скважинах, вызываемым приливом. Существуют гипотезы, связанные с влиянием Луны, опосредованным электромагнитным полем Земли [Nishimura and Fukushima, 2009]. Ряд исследователей предполагают, что вариации гравитации могут модулировать физические параметры воды вследствие квантово-полевых эффектов [Barlow and Fisahn, 2012]. Влияние фаз Луны на излучательную активность растворов бикарбонатов можно связать с поддержанием растворов в устойчиво возбужденном состоянии, обеспечивающем их высокую чувствительность к факторам низкой интенсивности [Воейков и др., 2012]. Полагают, что это устойчиво возбужденное состояние обусловливается образованием электронно-возбужденных продуктов в ходе реакций с участием активных форм кислорода, присутствующих в водной системе [Там же]. Полагают, что гравитационное влияние на Землю может дать вариации параметров геофизических полей, которые могут привести к изменениям в излучательной активности водных систем [Voeikov et al., 2010].

В настоящей работе дается еще одно из возможных объяснений наблюдаемых явлений синхронизации роста, развития и других биологических процессов с лунно-солнечным приливом. Это объяснение основано на результатах исследований А. М. Кузина и сотрудников [Кузин, 2002]. Обсуждая результаты В.П. Казначеева и сотрудников [Казначеев и Михайлова, 1985] исследований эффекта дистантных межклеточных взаимодействий, А.М. Кузин отмечает: «Открытая им зависимость изучаемых эффектов от геомагнитной обстановки, сезонности, времени суток, т. е. от внешнего воздействия, делает вероятным предположение, что ведущей причиной является интенсивность атомной радиации в момент постановки опыта. Известно, что концентрация такого основного источника атомной радиации природного радиоактивного фона, как радона, в приземной атмосфере подвержена значительным колебаниям, зависимым от времени суток, сезона и геомагнитной обстановки окружающей среды» [Кузин, 2002. С. 71].

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >