Знание-сила, 2005 № 09 (939)

Человек под названием «часы»

К трем часам ночи сон окончательно сморил всех, но страх проспать почему-то проходит, и все решают прилечь на часок, надеясь на «внутренний будильник»...

А. Битов. Пушкинский дом

Многие ученые стремятся разобрать наш внутренний часовой механизм на отдельные «генетические колесики». И дело не в простом любопытстве. Жизненные процессы, протекающие в организме, тоже следуют таюу времени. В течение суток периодически меняются температура тела, уровень содержания различных гормонов в крови, эффект действия многих медикаментов. Ночью нас острее будоражит боль. Ночью само время течет медленнее, чем днем.

Все живые организмы подчиняются власти времени; все они своей жизнедеятельностью отбивают его такт. Вероятно, едва лишь зародилась жизнь, как время оставило на ней свою отметину — неизгладимую печать. Даже поведение самых древних и примитивных одноклеточных организмов, таких как цианобактерии или водоросли, покорно течению времени. Их повадки пронизаны суточным ритмом. Так, жгутиконосец Gonyaulax за час до восхода солнца поднимается к поверхности моря, а перед заходом снова опускается в глубь воды. Это чувство времени помогает ему эффективно усваивать солнечный свет — источник энергии для процесса фотосинтеза. Будь он его лишен, он ночами напролет ждал бы «у моря» зари.

Внутренние часы помогают любому организму предвидеть чередование дня и ночи. Это нужно всем — от амеб до людей. Без этой способности жизнь человека кажется немыслимой. Так, ожидая пробуждения, организм заранее меняет уровень обмена веществ — готовится к дневной активности, иначе бы, внезапно вырвавшись из цепей сна на свободу, мы пережили бы, как говорят медики, настоящую «физиологическую катастрофу». Недаром, разбуженные среди ночи, не в положенный час, мы чувствуем себя слабыми.

Впрочем, среди ночи разбудить нас не так легко. В три-четыре часа ночи мы, как говаривали в старину, «смотрим десятый сон»: в это время уровень нашей физической или душевной активности ниже всего. Если человек еще не удосужился заснуть к этому часу, то чаше всего он вял и неуклюж, как оживший манекен. В это время особенно часты аварии на дорогах, хотя те обычно пустынны. Статистика показывает, что более четверти водителей, погибших в ДТП, умирали, заснув за рулем.

Примеров тому не перечесть. Двадцать четвертого марта 1989 года близ побережья Аляски танкер «Exxon Valdez» наткнулся на айсберг, что привело к крупнейшей в Америке экологической катастрофе. Расследование показало, что всему виной банальное недосыпание: за двое суток рулевой спал всего шесть часов. Он так вымотался, что забыл отключить «автопилот», и потому судно, когда он пытался свернуть с опасного курса, не среагировало на этот маневр.

В 1986 году, когда разбился космический челнок «Challenger», причина была, отчасти, в хронической усталости. Руководитель полета, измученный недосыпанием, распорядился не откладывать старт, несмотря на некоторые проблемы: «Отмучиться, наконец, и точка!» Что и произошло с экипажем...

В 1984 году страшная катастрофа произошла в индийском городе Бхопал: взрыв на химическом заводе компании «Union Carbide». Тогда погибло 8 тысяч человек, а еще 200 тысяч человек пострадали — многие получили тяжелейшие ранения. Если бы критическая ситуация сложилась днем, взрыва могло и не быть, а вот сотрудники ночной смены просто «проспали» первые сигналы тревоги.

Нет, недаром народная мудрость во все века гласила: «Утро вечера мудренее», а герои сказок, твердившие ее, неизменно побеждали врагов, ибо в самое опасное время суток спали как убитые, чтобы, очнувшись, быть живее всех живых.

Все мы подчиняемся власти времени; у каждого есть свои «внутренние часы». Впрочем, эти часы всегда чуть спешат или отстают, выбиваясь из суточного ритма. Это хорошо видно на примере опытов, в которых добровольцев помещали, допустим, в подземный бункер, где они были полностью изолированы от внешнего мира и не имели никакой возможности выставить свои «внутренние часы» ни по солнцу, ни по будильнику в соседней комнате, ни по разговорам за стеной. Чаше всего их жизнь начинала странным образом замедляться. Казалось, сутки были им малы. Они ложились спать все позже, и потому для ученых, следивших за ними, день постепенно превращался в ночь. Их сутки — «естественные сутки человека»! — длились двадцать пять часов.

Впрочем, наши «внутренние часы» не всегда медлят. В некоторых опытах они идут торопливее земных. Так, американский биолог Кристофер Джонс в течение восемнадцати дней наблюдал за женщиной, добровольно жившей в полной изоляции. Ее суточный ритм составил всего 23 часа 20 минут. Она явно спешила жить. Если бы она провела в изоляции 32 дня, то, по ее подсчетам, она прожила бы здесь... 33 дня!

В любом случае циферблат наших «внутренних часов» размечен довольно халтурно, аляповато. Если следовать только его показаниям, быстро выбьешься из жизни общества и природы. Эти часы задают так называемый «циркадный (околосуточный) ритм». А нам бы хотелось чего-то поточнее.

«Никто из людей не живет в строгом 24-часовом суточном ритме», — отмечает Кристофер Джонс. Лишь внешние воздействия — и прежде всего световые лучи — помогают организму каждый день заново приспосабливаться к истинной длине суток.

Световые сигналы попадают на сетчатку глаза, и это раздражение достигает древнейший части головного мозга, отвечающей, по мнению многих ученых, за работу наших «внутренних часов».

Эта часть мозга величиной с булавочную головку носит название Nucleus suprachiasmaticus; она расположена рядом с той точкой, где перекрещиваются левый и правый зрительный нерв, ведущие в головной мозг. В опытах с животными пробовали удалять эту часть мозга, и те тотчас теряли всякое представление о суточном ритме. Когда им вновь пересаживали данный фрагмент мозга, они обретали утраченное время.

У человека в Nucleus suprachiasmaticus сосредоточено около 10-20 тысяч нервных клеток. Их ритмичные сигналы воздействуют на другие участки мозга, меняя содержание гормонов, заставляя человека то спать, то бодрствовать.

Загадочный часовой механизм правящий всем живым на планете исследуют уже давно, но лишь в последние годы ученые начали, наконец, понимать, как устроены «внутренние часы», как они заводятся и подстраиваются.

Итак, на всех «этажах» природы эти принципы одинаковы. Все «генетические часы» состоят из тех же колесиков, анкеров, стрелок... Как только гены в отдельных клетках включаются, по их сигналам начинает работать клеточная машинерия, изготавливая соответствующие протеины. В свою очередь, эти протеины влияют на «генетические часы» по принципу обратной связи. Подобно шахматистам, торопливо жмущим на кнопку часов после сделанного хода, протеины «нажимают на кнопку» генетических часов и отключают их. Но постепенно протеины распадаются, и часы вновь начинают тикать. Включение, выключение, «прилив, отлив»...

Световые сигналы постоянно юстируют эти часы. В темноте часы понемногу расстраиваются, поэтому для узников, заточенных в темницу в стародавнюю пору, время начинало идти по-другому, то растягиваясь как резина, то пружинно сжимаясь. Итак, «приливы и отливы», происходящие в молекулярном мире, разбивают течение наших суток на день и ночь, сон и бодрствование.

Однако возникает вопрос, который напоминает неразрешимую задачу о курице и яйце. Что первично, а что вторично? С чего начинается время? Изначально ли включены «генетические часы», заставляя все наше тело жить в дружном, едином ритме?

Или эти часы включаются лишь под действием процессов, протекающих внутри клеток? Задает ли наш мозг, а именно Nucleus suprachiasmaticus, такт всему организму? Или же процессы, протекающие «на местах» — в отдельных частях тела — диктуют режим работы головному мозгу? Действительно ли, внутри мозга есть «часы», отвечающие за все?

«Вероятно, нам придется пересмотреть простую иерархическую модель, — говорит биолог Майкл Менакер из Виргинского университета. — Прежде мы считали, что мозг, отсчитывая время и задавая такт, рассылает сигналы по всему организму. Все части тела живут в едином ритме. На всех часах, спрятанных внутри нашего тела, стрелки застыли в одном и том же положении».

На самом деле исследования последних лет показывают, что многие органы тела живут в своем особом ритме. Часто он не совпадает с ритмом жизни всего организма. Каждый из нас напоминаем обширную страну, — хотите Россию, хотите Америку, — протянувшуюся на несколько часовых поясов, где во всех ее частях течет свое, разное время.

Это показали, например, опыты, которые поставил над крысами Майкл Менакер. Их кормили в строго определенное время. Ограничивая режим кормления, ученые добивались того, что «генетические часы» в печени то включались, то отключались. После этого зверьки начали бегать в колесе в другое время, чем прежде. Однако в самом головном мозге — в Nucleus suprachiasmaticus — ритм часового механизма ничуть не менялся. Поведение зверьков стало иным, а их «главные часы» показывали то же самое время, будто ничего и не случилось.

«Многие представления о наших внутренних часах при ближайшем рассмотрении неверны», — говорит немецкий биолог Тилль Ренеберг. Например, исследуя ритмы жизни плесневого гриба Neurospora, Ренеберг и его коллеги столкнулись с тем, что ни одна расхожая модель не может объяснить, почему эти ритмы меняются. Возможно, в их регуляции участвует гораздо больше генов, чем считалось прежде. В этом «генетическом штабе» есть свой секретариат, свои начальники отделов, и, «только миновав все их, мы попадаем в дирекцию», — шутит Ренеберг. Мы же кидаемся к первой открывшейся нам двери и, кого бы за ней ни увидели, говорим: «Здравствуйте, шеф!»

Конечно, наше поведение тоже влияет на работу внутренних часов. На них воздействуют не только яркий свет, активное поведение — на работе мало кому бывает до сна! — но и, например, время приема пищи. Сказывается так же психологическая обстановка на работе и дома, в семье. Если вы женились на женщине, привыкшей просыпаться в полшестого утра и засыпать в десять, вы невольно подстраиваетесь под ее ритм жизни, хотя на всех ваших внутренних часах стоит клеймо «совы».

Впрочем, внутренние часы, как пружина: стоит расстаться с женой, и «пружина разожмется» — стрелки часов побегут назад, в привычное положение. Сколько ни старайся «сова», «жаворонком» ей вряд ли стать. Внутренние часы — не «Seiko» на вашем запястье и даже не часы «Полет»: сколько ни ищи заводной механизм, его не найти. Чтобы отрегулировать их, нужно время. Много, очень много времени.

Конечно, с тех пор, как в наших домах появилось искусственное солнце — электрическая лампочка, мы всеми силами пытаемся нарушить работу внутренних часов. Мы допоздна просиживаем у телевизора или компьютера; мы подолгу не гасим свет; мы радуемся, что в городах можем вести полноценную ночную жизнь. Мы научились спать намного меньше, чем наши предки: в XIX веке средняя продолжительность сна составляла девять часов, сейчас — на полтора часа меньше... Но все равно, организм не обманешь!

«Наше тело не забыло свое прошлое, — пишет американский биолог Уильям Демент. — Оно — продукт генетической эволюции, длившейся миллионы лет. Неужели можно поверить в то, что за какую-нибудь сотню лет переменятся все его молекулярные функции, приноравливаясь к нашим новым потребностям?» Остается лишь повторить: нужно много, очень много времени!

(Использованы материалы журналов «Spiegel», «Bild der Wissenschaft» и «Р.М.»)

Анна Чайковская