Вся история изучения явления биологических часов связана с поисками ответа на данный вопрос.
Существуют самые разные подходы к его решению: морфологический, физиологический, биохимический, физический. Сторонники этих подходов располагают достаточно убедительными аргументами в свою пользу.
Физическая природа. В природе внутриклеточные часы отсчитывают время независимо от физических факторов среды. Так, у растений отсчет времени производится круглый год: и зимой, и летом. На работу внутренних часов не влияет ни температура, ни влажность, ни освещение. То же самое относится и к животным. В период
зимней (летней) спячки или в процессе оцепенения животные не утрачивают чувства времени. Исследования, выполненные на молекулярном уровне, свидетельствуют о том, что циклические изменения макромолекул не зависят от температуры.
Химическая природа. Существует убедительная доказательная база того, что ритм биологических часов задают биохимические процессы. Ряд биохимических параметров клетки изменяется циклично независимо от температуры среды и прочих факторов. Это относится к работе митохондрий, где перенос электронов имеет суточный ритм, и изменения температуры на этот ритм влияют мало. Другим примером служит ритмическая электрическая активность нервных клеток проводящей системы сердца, интрамуральных нервных образований желудочно-кишечного тракта, мотонейронов спинного мозга или гигантоклеточных образований продолговатого мозга. В основе возникновения всех перечисленных потенциалов лежит ритмичность физико-химических процессов — изменения проницаемости клеточной мембраны, транспорт ионов натрия и калия, де- и реполяризация мембраны клетки.
Анализируя причины повторяемости биохимических процессов в живой клетке, американский биохимик С. Хендрикс (1963) обнаружил четыре типа реакций, которые составляют основу биохимических часов.
1. Ритмичность процесса (его скорость) зависит от активности и количества фермента.
2. Ритмичность процесса (скорость) зависит от наличия и отсутствия субстрата.
3. Ритм процесса диктует цикличность образования рибосомальной ДНК и, в конечном счете, синтез белка-фермента.
4. Ритм процесса навязывает цикличность синтеза (или выброса в кровь) гормона, причастного к данной биохимической реакции.
Отечественные биохимики А. Н. Бах и Д. А. Собинин предложили свою концепцию биологических часов, в основу которой положили неизбежную цикличность метаболизма нуклеиновых кислот. Период от начала экспрессии гена до завершения синтеза закодированного геном белка требует определенного времени. Этот совокупный процесс биосинтеза белка может служить клетке своеобразным метрономом. Новый цикл экспрессии гена не начинается до тех пор, пока не завершится процесс, предшествующий ему.
Суточная цикличность многих биохимических и физиологических процессов подкрепляет эту гипотезу.
У человека большинство функций в темное время суток, т. е. во время сна, понижают свою активность. Это относится к таким характеристикам основного обмена, как потребление кислорода, диурез, катаболизм белков. Цикличность вегетативных функций человека даже в экстремальных условиях сохраняется и мало чем отличается от суточной цикличности животных.
Суточная ритмичность изменений температуры тела у человека очевидна, хотя амплитуда колебаний показателя не столь выражена по сравнению с адаптированными к жизни в пустыне животными. Однако работа биологических часов подтверждается даже в таких экстремальных условиях под постоянным давлением температурного фактора и фактора дефицита воды.
Таким образом, наличие разных концепций со своей доказательной базой лишь подчеркивает сложность и многоуровневый характер явления автоматии цикличности жизненных процессов животного организма. Природа биологических часов все еще остается загадочным явлением.