Журнал «Вокруг Света» №10 за 2009 год

Недремлющий брегет

Поздний вечер. Человек сидит в кресле и смотрит телевизор. Вернее, пытается смотреть: у него слипаются глаза, он все чаще зевает и в конце концов выключает телевизор и отправляется спать. Не то чтобы он очень устал — просто наступило время ложиться спать. И ему об этом напомнил его организм. А откуда он об этом знает?

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.

Хуже обстоит дело с той относительно небольшой частью человечества, которая не в состоянии перестроить свой циркадный ритм. Впрочем, для стопроцентных «жаворонков» все тоже неплохо — современная цивилизация живет в более-менее подходящем для них режиме. Гораздо хуже приходится противоположному типу — прирожденным «совам». С раннего возраста и до выхода на пенсию им приходится жить в режиме, абсолютно несовместимом с их естественным ритмом. В детстве каждый их день начинается мучительным пробуждением, сомнамбулическим завтраком и одеванием под окрики раздраженной мамы, а заканчивается тем, что взрослые бесцеремонно прерывают игры на самом интересном месте и отправляют их на долгое неподвижное лежание в темноте в ожидании сна, который вовсе и не думает приходить. Став взрослыми, они осваивают искусство находить какие-то лазейки в мире чужого времени и на полную катушку использовать имеющиеся отдушины — выходные, отпуска и т. д. Некоторым удается даже найти социальные ниши, позволяющие им существовать в более приемлемом режиме (от ночного сторожа до вольного художника — современное общество порождает их не так уж мало).

Многолетнее постоянное насилие над собственным циркадным ритмом (как и над любой другой физиологической системой) не может пройти даром. Систематических исследований того, какие последствия для здоровья влечет хронический конфликт между внутренним и навязанным извне ритмом, пока не проводилось. Ведь, как уже говорилось, само существование «жаворонков» и «сов» до недавнего времени было предметом дискуссии. Но согласно выборочному исследованию Института сомнологии в Беркли (Калифорния), среди тех опрошенных, кто причислял себя к «совам», 52% страдали хроническими заболеваниями (среди «жаворонков» — 24%). 62% «сов» (и только 11% «жаворонков») в той или иной мере страдали расстройствами нервной системы. Соотношение страдающих депрессией достигало 1:40.

Сегодня эта проблема активно обсуждается, причем не только среди медиков: общество начинает осознавать, что, заставляя значительную часть своих членов жить в противоестественном для них ритме, оно, помимо всего прочего, сильно снижает продуктивность их труда.

Стрелки внутри организма

Зато в последние четыре десятилетия буквально на пустом месте была создана проблема, задевающая уже не ту или иную часть населения, а всех без исключения. Речь идет о так называемом летнем времени: ежегодном переводе часов на час вперед весной и на час назад осенью. Вопреки часто встречающимся утверждениям проблемы создает не отклонение от истинного солнечного времени (в конце концов, то, что наивысшее положение Солнца на небе приходится на полдень и должно соответствовать 12 часам, — чистая условность), а именно часовые «скачки» раз в полгода. Час — величина достаточно заметная для механизмов, обеспечивающих наш циркадный ритм, и внезапный сдвиг пробуждения на час создает весьма ощутимый сбой. Разумеется, резервы нашей «службы времени» достаточны, чтобы довольно быстро этот сбой ликвидировать, но, во-первых, на это требуется время, а во-вторых, за все приходится платить.

Точный размер этой платы до сих пор неизвестен: как ни странно, за многие десятилетия применения летнего времени (только в нашей стране оно применяется уже 28 лет) так и не появилось всесторонних, достоверных и надежных данных о влиянии этой практики на здоровье населения. Противники перевода стрелок (среди которых немало специалистов-медиков и особенно хронобиологов и исследователей сна) указывают, что последствия перехода не ограничиваются психологическим дискомфортом в первые несколько дней. По данным американских исследователей, в первые дни после перехода количество смертельных исходов от несчастных случаев в США возрастает на 6%, травм с утратой трудоспособности — на 7%. Российская статистика выглядит не менее впечатляющей: в первые пять дней число выездов скорой помощи к больным с сердечными приступами и гипертонией увеличивается на 11%. Число попыток самоубийств в этот период выше на 60%, а число смертей от инфаркта на 75% больше, чем в среднестатистические дни. Число несчастных случаев в первые две недели после перехода увеличивается на 29%.

Официальные лица как в России, так и в Евросоюзе и других странах, применяющих летнее время, неизменно отвечают, что убедительных научных данных об отрицательном влиянии этой практики на здоровье населения нет. При этом, однако, сами они признают, что данных нет, потому что нет соответствующих исследований, и по-прежнему не торопятся эти исследования инициировать. В результате в высшей степени подозрительная с точки зрения хронобиологии и хрономедицины практика не только сохраняется, но и продолжает охватывать новые страны, а также страны, уже отвергшие ее. Так, сразу после обретения независимости государства Балтии отменили переход на летнее время. Однако им пришлось вернуться к нему после вступления в ЕС, для членов которого применение летнего времени обязательно.

Проблемы временного сдвига бывают и более специфическими. Например, всем известна проблема авиапассажира, пересекшего несколько часовых поясов: его внутренние часы оказываются в резком разладе с местным временем. Для нашей внутренней системы измерения времени эта ситуация абсолютно нештатная: эволюция не могла выработать никаких специальных механизмов на сей случай, потому что не могла столкнуться с ним. Тем не менее обычной гибкости нашего циркадного ритма, как правило, хватает, чтобы за какие-нибудь сутки (максимум за двое) восстановить гармонию.

В последнее время в мире формируется своеобразная социальная группа: международные чиновники и менеджеры, у которых в перелетах проходит заметная часть жизни. Перелеты следуют один за другим, порой по три-четыре кряду, причем в произвольных направлениях: сегодня на восток, завтра на запад. Трудно вообразить тот хаос, который творится при этом в механизмах их циркадного ритма, особенно в системе общей синхронизации, непрерывно получающей противоречивые сигналы.

Трудно сказать, каковы будут последствия такого образа жизни. Сам феномен еще слишком молод, молоды и здоровы люди, относящиеся к этой группе. Их индивидуальной лабильности и простых бытовых приемов, видимо, пока хватает, чтобы справляться с этой проблемой. Кроме того, в этой социальной группе принято следить за своим здоровьем, и есть надежда, что «небожители» будут выходить из этой гонки раньше, чем изменения в их психике и физиологии потребуют специальных мер. Тем не менее было бы весьма интересно приглядеться к тому, что происходит у этих людей с циркадным ритмом и его механизмами.

Другие ритмы

После суток и месяца следующий естественный период — год. У многих существ — от растений до птиц — в самом деле есть годичные ритмы, порой предусматривающие коренную перестройку организма от сезона к сезону. (Впрочем, есть и менее драматические проявления годичной ритмики — например, линьки у зайца-беляка или обыкновенной белки, позволяющие им менять летнюю окраску на зимнюю и наоборот.) Регулирует эти процессы уже знакомое нам супрахиазматическое ядро, умеющее не только определять время суток, но и сравнивать день ото дня продолжительность светового времени и по этой информации устанавливать время года.

Однако у человека ничего подобного не найдено. И неудивительно: вся эволюция человеческого рода протекала в Восточной Африке, в районах, лежащих поблизости от экватора. Восточноафриканский климат отличается выраженной сезонностью (муссоны с Индийского океана резко делят здешний год на сухой и влажный периоды), но на фотопериодизме тут ничего не построишь: в этих районах длина светового дня либо постоянна, либо колеблется в ничтожных пределах. В высокие же широты человек пришел вполне сформированным, причем сравнительно недавно (считанные десятки тысяч лет назад), и никаких приспособлений к резкой сезонности выработать уже не успел.

Центр исследований сна в Регенсбургском университете (Германия). С помощью специального прибора ученые изучают реакции человеческого зрачка на различную интенсивность света при недостатке сна. Фото: CORBIS/FOTO SA

Было бы странно не упомянуть о «биоритмах». Если кто успел подзабыть эту некогда чрезвычайно модную теорию, то напомним ее вкратце. Она постулирует, что с момента рождения или зачатия (разные школы трактуют этот вопрос по-разному) в организме человека запускаются некие ритмы, определяющие его текущие возможности — физические, эмоциональные и умственные. Невзирая ни на какие обстоятельства развития неведомый счетчик отстукивает заданный период, в течение которого человек проходит путь от пика к спаду и обратно. Что именно за величина растет и падает на графике и в каких единицах она измеряется — неизвестно, но колеблется она по обычному гармоническому закону и графически выглядит как простая синусоида. Вернее, три синусоиды, причудливым образом переплетающиеся друг с другом, поскольку периоды у них различаются: физический ритм имеет период 23, эмоциональный — 28 и интеллектуальный — 33 дня. Точки перехода любой из линий через ось считаются критическими (хотя по идее соответствующая функция должна просто иметь среднее для данного человека значение). Особенно опасны двойные и тем более тройные критические точки, в которых ось пересекают две или три линии. В такие дни человеку следует быть крайне осторожным во всех поступках — от перехода улицы до принятия деловых решений.

Теория трех ритмов родилась и оформилась в самом начале ХХ века. Ее создателями являются венский психотерапевт Герман Свобода, берлинский отоларинголог Вильгельм Флисс и преподаватель из Инсбрука Фридрих Тельчер. Считается, что Свобода и Флисс независимо друг от друга открыли физический и эмоциональный ритмы, но на самом деле полученные ими численные значения заметно отличались и друг от друга, и от тех значений, которые приняты ныне. Чеканная триада «23 — 28 — 33» сложилась позже.

При своем появлении теория трех ритмов получила некоторую известность, но интереса у академических ученых не вызвала и вообще особого успеха не имела. Звездный час теории пробил после изобретения и мало-мальски широкого распространения компьютеров, позволявших моментально и с любой точностью рассчитать график счастливых и несчастливых дней для любого человека, зная только дату его рождения. В 1970-х годах не было, наверное, программиста, к которому его знакомые не обращались бы с просьбой рассчитать им их «биоритмы».

Однако вместе с компьютерами пришли и новые стандарты экспериментальной работы и статистической достоверности. Многочисленные строгие проверки, предпринятые в 1970—1980-е годы, не обнаружили никаких подтверждений существования трех ритмов. Мода на «биоритмы» пережила даже вторую волну после распространения персональных компьютеров и Интернета, из которого можно скачать простенькую программку и рассчитывать собственные «биоритмы» хоть ежедневно. Но все это уже происходило в той же области, где давно существуют и процветают гороскопы, гадания и самопальные тесты.

Впрочем, это и неудивительно. Напротив, на фоне того, что мы знаем сегодня о регуляции ритмических процессов в нашем организме, крайне странным выглядело бы существование ритмов, не подверженных влиянию ни внешних периодических процессов, ни внутренних генетических механизмов.

Иван Стрельцов