Наши фантастические внутренние часы

Как вы слышали, в 2017 году Нобелевская премия по медицине или физиологии досталась американцам Джеффри Холлу, Майклу Росбашу и Майклу Янгу (Jeffrey C Hall, Michael Rosbash, Michael W Young) за их открытия в области циркадного ритма — механизма клеток, который регулирует внутренние часы людей, животных и растений. 

Ученым, например, удалось выделить ген, который регулирует суточный ритм мушки дрозофилы.

Внутренние часы отвечают в том числе за циклы сна, кровяное давление, уровень гормонов и температуру тела. Они влияют на всю жизнь на земле от одноклеточных цианобактерий до высших позвоночных, включая нас, людей.

Изучение внутренних часов стало совершенно самостоятельной отраслью науки, которую называют хронобиологией.

Хронобиология, как свидетельствует название, сводится к изучению биологических ритмов и того, как они соотносятся с окружающей средой: немцы называют их цайтгеберами, то есть синхронизаторами.

Мы, люди, испокон веков наблюдали реакции природы на нарастание и убывание солнечного света, в первую очередь то, как растения открывают и закрывают свои цветы и листья в соответствии с количеством получаемого света.

Но лишь в XVIII веке человек сумел доказать, что дело не только во внешних сигналах: кое-что внутри самого организма приоткрывает тайну биологических часов, которые зависят не только от того, насколько высоко солнце поднялось в небе.

Одним из первых, кто делал научные наблюдения этого явления, стал французский астроном Жан-Жак де Меран (Jean Jacques d'Ortous de Mairan).

На дворе был 1729 год, когда он поместил кустик мимозы в темноту и заметил, что та по-прежнему открывает и закрывает свои листочки в зависимости от времени суток и от того, светит ли где-то солнце, которого не было рядом.

Из этого он сделал заключение, что импульс растения открывать и закрывать листья связан скорее с внутренним механизмом, чем является следствием рабской реакции на внешние раздражители в виде изменений солнечного света.

Но ясно, что если устранить колебания дневного света из уравнения на более длительный промежуток времени, биологические часы, конечно, рано или поздно собьются.

Одним из первых ученых, кто в наше время активно изучал влияние биологических часов на человека, стал французский геолог и спелеолог Мишель Сифр (Michel Siffre) в начале 60-х годов.

Это было в начале эры космических путешествий и во время холодной войны, когда человек заинтересовался реакцией тела на длительные периоды изоляции, например, в космической капсуле или в бомбоубежище после атомной войны.

В 1962 году 23-летний Сифр совершил прорыв благодаря смелому эксперименту, в ходе которого он смог доказать, что у нас есть встроенные часы, так же, как и у растений.

Он изолировал себя от мира с 18 июля по 14 сентября 1962 года в ледниковой пещере Скарассон, которая расположена во французских Альпах на глубине 100 метров под землей.

Связь с внешним миром Сифр поддерживал лишь по телефонной линии, которую он использовал для того, чтобы отчитываться, когда ложился спать, а когда вставал.

Отсутствие внешних раздражителей и часов со временем совершенно дезориентировало Сифра в том, что касалось хода времени (и, как он потом сам признавался, почти свело его с ума).

Сам Сифр полагал, что спит циклами по 15 часов и что совершенно потерял связь с естественным суточным ритмом. Но оказалось, что его тело прекрасно следило за временем, живя сутками длиной в среднем 24,5 часов.

После того, как Сифр провел 63 суток в ледниковой пещере, он, наконец, вышел на свет божий, полагая, что на календаре было 20 августа. Иными словами, в своем сознании он потерял целый месяц.

Но тело знало лучше. И Сифр смог раз и навсегда доказать, что и мы, люди, оборудованы биологическими часами.

Через пару лет Мишель Сифр провел еще один подобный эксперимент, но уже в роли наблюдателя за двумя другими спелеологами, Жози Лорес (Josie Laures) и Антуаном Сенни (Antoine Senni). Они тоже позволили изолировать себя под землей, каждый в своей пещере, примерно в ста метрах друг от друга.

Единственными людьми на поверхности земли, с которым Лорес и Сенни поддерживали контакт по телефону, были ученые, записывающие время их сна, физические показатели и приемы пищи.

Лорес и Сенни не пришлось страдать от безделья, целью эксперимента не было полностью лишить их сенсорных стимулов, им было разрешено, скажем, слушать музыку или заниматься какой-то ручной работой: например, Лорес вязала.

Лорес провела в своей пещере 88 дней, а Сенни в своей — 126. Когда они, наконец, вышли оттуда, оба были в относительно хорошем физическом состоянии, но еще более сбиты с толку, чем Сифр после эксперимента.

Антуан Сенни полагал, например, что вышел из пещеры 4 февраля, тогда как правильной датой было 5 апреля. Жози Лорес была в основном в хорошем физическом состоянии, но при этом очень долго восстанавливала естественный цикл сна.

В тот раз изоляции удалось обмануть даже биологические часы.

Оказалось, что Сенни впал в такой ритм, при котором он мог спать по 30 часов подряд, хотя сам полагал, что лишь прилег слегка вздремнуть.

Позднее исследования в изоляции показали, что люди могут растянуть свой цикл сна аж на 48 часов, если на них не действуют никакие внешние раздражители.

Но также повторяющиеся эксперименты с изоляцией показали, что внутренние часы человека, наш суточный ритм, естественным образом представляет собой цикл чуть дольше 24 часов. Но где же находятся эти часы, чисто физически?

Все это связано с маленькой зоной в мозге — супрахиазматическим ядром гипоталамуса. Оно размером примерно с зернышко риса. На практике именно оно является теми биологическими часами, которые регулируют наш суточный ритм.

И оно получает основную информацию о времени от солнца. По вечерам, когда свет затухает, оно посылает сигнал шишковидной железе, чтобы та начала вырабатывать мелатонин, который сообщает телу, что пора ложиться.

Летом этот механизм работает наоборот, уровень мелатонина падает, так как растет количество света, из-за чего, в том числе, увеличивается выработка пролактина у женщин, что повышает плодовитость.

Так что все, кто родился в районе весеннего равноденствия, возможно, должны благодарить именно летнее солнышко, которое девятью месяцами ранее привело папу и маму в нужное настроение.

Супрахиазматическое ядро, которое регулирует наши внутренние часы, выходит, получает сигнал от глаз, через зрение. А как же быть со слепыми людьми? Как у них регулируются биологические часы?

Вообще-то слепые люди и правда часто страдают от проблем со сном, и им приходится принимать мелатонин, чтобы смягчить симптомы.

Но существует американское и британское исследование, которое свидетельствует, что даже у совершенно слепого человека, у которого разрушены сами зрительные клетки сетчатки, то есть так называемые палочки и колбочки, глаз может регистрировать свет, в том числе если человек сам об этом не знает.

Другими словами, сигнал все равно может поступить в гипоталамус через зрительный нерв. Так что ваши биологические часы могут быть исправны, даже если вы не видите. И хотя наши внутренние часы продолжают функционировать долгие периоды в изоляции, без света мы заболеваем.

Опыты с лабораторными мышами показали, что мыши, которых надолго помещали в темноту, страдали от симптомов, напоминающих депрессию.

Нехватка света снижает секрецию дофамина, влияет на уровень сахара в крови и даже ухудшает память. И у мышей, и у людей.

Тем не менее олени, которые пасутся на севере в Лапландии, уладили все очень хитрым способом. Ведь они живут то в непрерывной темноте, то в непрерывном свете, в зависимости от времени года, так что должны были быть в постоянном стрессе.

Но оказалось, что биологические часы оленей работают несколько иначе, чем наши. Наши внутренние часы заботятся о том, чтобы выделение мелатонина происходило согласно относительно регулярному 24-часовому циклу.

У оленей же выработка мелатонина более непосредственно связана с количеством получаемого света, а не с генетически обусловленными биологическими часами.

То есть уровень гормона повышается, когда темно, и понижается, когда светло. Иными словами, у оленей нет никакого суточного ритма, скорее можно сказать, что у них имеется годовой ритм.

Это позволяет им продолжать жевать свои лишайники, если удастся их найти, вне зависимости от времени суток и не отвлекаясь на внутренние часы, заявляющие, что пора спать.

И, похоже, для них это вполне рабочий вариант. Сами подумайте, вы когда-нибудь видели оленя с депрессией?