Журнал «Вокруг Света» №10 за 2009 год - Вокруг Света

Цикл сна/бодрствования — одно из самых очевидных проявлений так называемого циркадного (от латинского circa dies — «около суток») ритма. Его влиянию подвержены сотни физиологических и биохимических показателей нашего организма: от таких принципиальных, как температура тела, кровяное давление, частота дыхания и пульса, до самых экзотических. Например, буквально несколько месяцев назад японские ученые установили, что естественное свечение человеческого тела в видимом диапазоне (разумеется, сверхслабое) также закономерно меняется в течение суток: ярче всего мы светимся в 4 часа дня, а в 10 утра интенсивность свечения минимальна.

То что множество протекающих в нашем теле процессов «привязано» к чередованию дня и ночи, само по себе неудивительно. Вопрос в другом: следует ли наш организм внешним сигналам (например, освещенности) или имеет собственные часы? Так, для растений существование внутреннего хронометра было доказано еще в начале XVIII века, для человека же этот вопрос оставался открытым еще в середине ХХ. В 1938 году американский физиолог Натаниэль Клейтман провел 32 дня в Мамонтовой пещере, где ничто не могло указывать на время суток. Его целью было доказать, что циркадный ритм организма человека — лишь отражение воздействий внешней среды и что, изменив эти воздействия, можно переключить организм на любой другой ритм, например 28-часовой. Результаты эксперимента оказались довольно двусмысленными: сопровождавший Клейтмана студент Брюс Ричардсон действительно сумел перестроиться на 28-часовые «сутки», а вот самому Клейтману это так и не удалось.

В 1962 году немецкий физиолог Юрген Ашофф провел сходный опыт: испытуемые (первыми из которых были сыновья исследователя) на четыре недели переселялись в подземный бункер, оборудованный всеми удобствами, но лишенный часов и каких-либо каналов, по которым могла бы поступать информация о времени суток. Но в экспериментах Ашоффа никто не требовал от добровольных отшельников подстраиваться под какой-то заданный ритм — они могли сами устанавливать себе какие угодно «сутки», включая и выключая свет по своему желанию. А экспериментатор записывал циклы сна/бодрствования, температуру тела и другие физиологические и поведенческие показатели.

Результаты эксперимента однозначно свидетельствовали: организм человека располагает собственным механизмом измерения времени и, не имея доступа ни к Солнцу, ни к часам, продолжает отсчитывать суточный ритм. Правда, точность хода наших внутренних часов оставляет желать много лучшего: за сутки они отстают в среднем примерно на час. Впрочем, для наших первобытных предков это было вполне приемлемо: их образ жизни не предполагал ни многодневной разлуки с солнечным светом, ни необходимости в столь дробной единице времени, как час.

Ашофф резонно предположил, что помимо часов наш организм имеет специальное устройство, позволяющее эти часы «подводить» в соответствии с реальным ходом Солнца. Но что представляют собой сами биологические часы и на чем основана их работа? 

Компьютерная визуализация математической функции, описывающей запуск циркадного ритма у дрозофилы. Яйца, личинки и куколки дрозофил от момента зачатия содержались в полной темноте и при постоянной температуре. В этих условиях достаточно единственной вспышки света, чтобы запустить «внутренние часы»: через каждые 24 часа после вспышки будет происходить массовое вылупление взрослых мух из куколок (белые точки). Фото: SPL/EAST NEWS

Солнечный ключ к генетическим часам

В 1971 году знаменитый американский генетик Сеймур Бензер и его коллега по Калифорнийскому технологическому институту Рон Конопка изучали регуляцию циркадного ритма у классического объекта генетики — мушки-дрозофилы. Ее естественный цикл активности, как и следовало ожидать, 24-часовой. Но Бензер и Конопка выявили мутантов с 19- и 29-часовыми циклами, а также совсем аритмичных мух, у которых периоды сна и бодрствования чередовались и вовсе случайным образом. Поиск месторасположения всех трех мутаций привел к одному и тому же участку Х-хромосомы, который исследователи назвали Per (от слова period). Это был первый идентифицированный «часовой» ген. Впоследствии оказалось, что Per работает и во внутренних «часах» млекопитающих и что вообще-то генов, участвующих в регуляции суточного ритма, довольно много.

Буквально в последние годы ученым удалось понять, как эти гены взаимодействуют между собой, то есть как фактически сконструировано устройство наших внутренних часов. Выяснилось, что, как и многие придуманные человеком часы, они основаны на колебаниях в системе с отрицательной обратной связью. Только в клеточных часах роль маятников выполняют молекулы внутри каждой клетки нашего организма. А как эти клеточные часы синхронзируются между собой и с реальным временем суток?

«Службу точного времени» нашего тела удалось найти в 1972 году американцам Роберту Муру и Виктору Эйхлеру. Им оказалось супрахиазматическое ядро (СХЯ) — скопление примерно из 20 000 нейронов, расположенное в самом основании гипоталамуса, прямо над перекрестом зрительных нервов. Непрерывно получая зрительную информацию, СХЯ «привязывается» к текущему времени суток и в нужный момент шлет сигнал в расположенный поблизости эпифиз — мозговую железу, вырабатывающую гормон сна мелатонин. Залп мелатонина вызывает засыпание, перестраивая всю деятельность организма и синхронизируя тем самым собственные ритмы клеток разных тканей. Впрочем, кроме мелатонина и другие химические сигналы от СХЯ активируют синтез в гипофизе адренокортикотропного гормона, который называют «гормоном гормонов». Он управляет работой коры надпочечников и секрецией всего букета вырабатываемых сигнальных веществ. Симфония гормонов, согласованно меняющих свои концентрации, опять-таки позволяет синхронизировать собственные циклы клеток.

Исследователи подозревают, что у СХЯ есть и другие пути выполнения этой задачи, но в любом случае все это пока остается общими схемами. Детальный механизм влияния СХЯ на клеточные часы на уровне молекулярных взаимодействий еще предстоит расшифровать.

Споря со временем

Таким образом, суточный ритм задается совместной работой автономных молекулярных часов и специального органа, согласующего их с астрономическим временем. Но известно, что любые физиологические показатели у человека варьируются в самых широких пределах. И система регуляции циркадного цикла не является исключением.

Существование «жаворонков» и «сов» — иными словами, разных типов суточной активности — всего каких-то несколько десятилетий назад было предметом яростных споров. В солидных исследованиях серьезно утверждалось, что никаких «сов» нет, а есть только неорганизованные люди, пытающиеся оправдать свой нездоровый образ жизни. Сегодня то, что пик активности у разных людей приходится на разное время суток, можно считать экспериментально доказанным фактом. Не далее как в этом году исследователи из Университета Альберты в Эдмонтоне (Канада) обнаружили, что у тех испытуемых-добровольцев, которые сами относили себя к «жаворонкам», возбудимость нервных путей внутри головного мозга максимальна около 9 часов утра, а затем постепенно снижается в течение дня. У тех же испытуемых, которые считали себя «совами», мозг оказался наиболее возбудим около 9 вечера. Возбудимость нервных путей — сугубо физиологическая характеристика, мало зависящая от воспитания или неорганизованности. Впрочем, годом раньше ученые из британской Медицинской школы Суонси показали, что «жаворонки» и «совы» достоверно отличаются друг от друга временем наибольшей и наименьшей активности ряда генов, в том числе, кстати, и генов Per.

После длительного авиаперелета «внутренние часы» человека оказываются в резком разладе с местным временем. Однако если это происходит не слишком часто, организм быстро подстраивается под нужный ритм. Фото: CORBIS/FOTO SA

Вероятно, «жаворонки» и «совы» — это своеобразный след эволюционной истории человеческого рода. Как известно, вид Homo sapiens принадлежит к настоящим обезьянам — группе сугубо дневных животных, активных исключительно в светлое время суток. Это «фамильная черта» обезьян, отличительный признак, который во многом сформировал их облик и предопределил их дальнейшую эволюцию. Но именно им обезьяны выделяются на фоне подавляющего большинства млекопитающих (в том числе своих ближайших родичей — лемуров), эволюционно формировавшихся именно как животные сумеречные и ночные. В результате в генетическом наследии человека хранятся фрагменты двух программ суточной активности — более древней «млекопитающей» и сменившей ее «обезьяньей». У большинства (примерно 80%) людей они не только не мешают друг другу, но и придают своим владельцам запас лабильности: такие люди могут (с большим или меньшим трудом) приспособиться к любому распорядку дня. Многие из этих счастливцев, будучи «отпущены на свободу», предоставлены сами себе в выборе режима, быстро возвращаются к естественному для них ритму (кстати, многие подопытные Ашоффа говорили о приятном ощущении свободы во время эксперимента), но в общем подъем и отбой в любое постоянное время не причиняют им дискомфорта.