Не исключено, что самые древние «биологические часы» были заведены 2,5 млрд. лет назад, когда на Земле появились фотосинтезирующие организмы, давшие начало кислородной катастрофе и до неузнаваемости изменившие облик планеты. Этот вывод сделали авторы статьи, недавно опубликованной в Nature [1]: они обнаружили, что уровень ферментов, расщепляющих токсичные побочные продукты кислородного дыхания, циклически колеблется во времени, и главное, что такая закономерность повторяется в совершенно разных организмах всех трех доменов жизни [2].

Практически все известные формы жизни имеют внутри «биологические часы», называемые циркадными ритмами. Эти ритмы имеют период около 24 часов, но существуют они и в отсутствии доступа солнечного света, то есть, не зависят от него напрямую. Однако связь с сигналами извне, бесспорно, присутствует, и используется, например, для «ресета» внутренних часов — о чем интуитивно знает каждый, кто летал самолетом со сменой нескольких часовых поясов.

Циркадные ритмы глубоко вплетены в молекулярные основы жизнедеятельности всех организмов. Они регулируют выработку фотосинтетических компонент у растений, помогают бабочкам-монархам совершать перелеты через Северную Америку, контролируют циклы сна и бодрствования [3], а также периодичность питания [4]. Одноклеточные водоросли с «отключенным» на молекулярном уровне циркадным ритмом погибают.

Несмотря на повсеместную распространенность этого механизма, устроен он у всех организмов по-разному: гены, определяющие ход «молекулярных часов», не имеют ничего общего у дрозофилы и человека, растений и бактерий, — по-видимому, у них нет общего предшественника. «Такое ощущение, что этот велосипед изобретали пять раз», — говорит Ахилеш Редди (Akhilesh Reddy), главный автор статьи в Nature [5].

Поиск во времени

В поисках прообраза биологических часов исследователи обратили внимание на группу ферментов под названием пероксиредоксины, присутствующих практически во всех организмах и участвующих в утилизации токсичной перекиси водорода, являющейся побочным продуктом кислородного дыхания. В 2011 году Редди с коллегами открыли, что этот фермент в эритроцитах человека [6] и в морских водорослях [7] переходит из окисленной формы в восстановленную с периодом около 24 часов. (См. также «Открыт альтернативный принцип работы биологических часов» [8].)

В этом (2012) году они решили расширить перечень исследованных организмов до мышей, плодовой мушки дрозофилы, растений, архей и бактерий — первых форм жизни, появившихся на планете более трех миллиардов лет назад. Во всех случаях пероксиредоксин оказался «хранителем времени» в отсутствии света, а значит, и неотъемлемой компонентой циркадного ритма. Однако пероксиредоксиновые часы не лежат в основе и не основываются на других биохимических циклах, действующих в организме: прицельное «выключение» известных ранее и специфических для каждой группы организмов молекулярных путей не останавливало окислительно-восстановительную динамику пероксиредоксина.

Пока что в работе «биохимических часов» еще слишком много непонятного. Они могут работать независимо от других циркадных ритмов, но вот зависят ли сами циркадные ритмы от превращений пероксиредоксина, — еще предстоит установить. «Я не думаю, чтобы этот или какой-то другой из еще не найденных ферментов являлся таймером единолично. Скорее всего, сразу несколько белков обладают свойством цикличных превращений», — говорит Редди [5].

Однако Редди предполагает, что пероксиредоксин вполне может оказаться прообразом всех биологических часов. Он с коллегами считает, что вся эта система появилась 2,5 млрд. лет назад, когда на планете зародились фотосинтетические организмы, изменившие характер атмосферы с восстановительного на окислительный (это событие известно под именем «кислородной катастрофы»).

Учитывая, что фотосинтез черпает энергию исключительно из солнечного излучения, количество кислорода в атмосфере в те времена должно было сильно зависеть от времени суток. И организмы, которые научились вслед за этой флуктуацией производить ферменты, подобные пероксиредоксину, должны были получить эволюционное преимущество, поскольку были лучше защищены от токсического действия побочных продуктов кислородных процессов.

Существует, впрочем, и альтернативное объяснение возникновению циркадных ритмов: они могли развиться как адаптация к циклическому облучению повреждающим ультрафиолетовым облучением (и кислород как таковой тут ни при чем). Эта гипотеза также имеет смысл, поскольку некоторые из «циркадных» генов чем-то напоминают ферменты, принимающие участие в репарации ДНК, поврежденной ультрафиолетом. Исследователи отмечают, что найти окончательный ответ на этот вопрос будет сложновато.

Написано по материалам Nature News [5].

Литература

1. Rachel S. Edgar, Edward W. Green, Yuwei Zhao, Gerben van Ooijen, Maria Olmedo, et. al.. (2012). Peroxiredoxins are conserved markers of circadian rhythms. Nature. 485, 459-464;
2. Эволюция между молотом и наковальней, или Как микробиология спасла эволюцию от поглощения молекулярной биологией;
3. Бессонные ночи дрозофилы;
4. Найдена связь между обменом веществ и циркадным ритмом;
5. Ewen Callaway. (2012). A biological clock to wind them all. Nature;
6. John S. O’Neill, Akhilesh B. Reddy. (2011). Circadian clocks in human red blood cells. Nature. 469, 498-503;
7. John S. O’Neill, Gerben van Ooijen, Laura E. Dixon, Carl Troein, Florence Corellou, et. al.. (2011). Circadian rhythms persist without transcription in a eukaryote. Nature. 469, 554-558;
8. Элементы: «Открыт альтернативный принцип работы биологических часов».