Свет регулирует цикл снаИ бодрствования
Листья мимозы открываются навстречу солнцу днем и закрываются в сумерках. В 1729 году французский астроном Жан-Жак де Меран сообщил о ежедневных движениях листьев мимозы стыдливой даже в темноте. Декандоль в 1834 году определил, что открывание и закрывание листьев происходит каждые 22–23 часа. Де Меран поместил растение в постоянную темноту, а листья продолжали следовать своему нормальному суточному ритму. Только периодичность составляла не 24, а 22–23 часа [33].
Самый сильный внешний сигнал, регулирующий 24-часовой цикл сна – бодрствования, – свет [34]. За механизм регуляции отвечают специальные клетки сетчатки глаза, которые напрямую посылают сигнал в супрахиазматическое ядро – центр контроля циркадных ритмов (рис. 4). Половина слепых людей имеют синдром не-24-часового цикла сна – бодрствования. То есть их сутки длятся не 24 часа, а, например, 25 часов [35]. В этом случае они ложатся спать каждый день на 1 час позже и просыпаются тоже на час позже. Их сутки смещаются и через 24 дня опять начинаются в то же время.
Рис. 4. Супрахиазматическое ядро (центр контроля циркадных ритмов) в головном мозге
Слепые люди не видят света. И поэтому свет не может влиять на их ритмы сна и бодрствования, у них запускаются генетически заложенные механизмы регуляции цикла сна – бодрствования, поэтому он может отличаться от 24-часового. Животные и люди, живя в полной темноте длительное время, в итоге также функционируют со свободным ритмом сна и бодрствования [36].
Появление циркадных ритмов
Ранее считалось, что циркадные ритмы возникли 2,5 миллиарда лет назад для защиты делящейся клетки и молекулы ДНК (место, где хранится генетический код клеток организма) от высокого уровня ультрафиолетового излучения. И будто поэтому деление клеток происходит в темное время суток, например когда мы спим. Однако установлено, что деление цианобактерий, например, активнее происходит в светлое время суток! Поэтому современный взгляд несколько изменился. Предполагается, что 2,5 миллиарда лет назад по мере охлаждения земной коры, уменьшалось поступление в атмосферу таких вулканических газов, как сероводород, сернистый газ, метан и водород [38, 39] (рис. 5). А кислород, который ранее расходовался на окисление вулканических газов, в итоге стал накапливаться в атмосфере планеты. Производство активных форм кислорода (АФК) при дневном свете повышается. Чрезмерный уровень АФК негативно действует на организм и повреждает ДНК клеток. Организмы, способные эффективно защищаться от АФК, могли иметь преимущество в выживании после появления в составе атмосферы Земли свободного кислорода. У животных во время сна может активизироваться комплекс механизмов нейтрализации АФК. Если организм не находит способы препятствовать накоплению АФК, то это приводит к его гибели. Вероятно, в процессе эволюции выживали те виды живых организмов, которые жили в средах, где нет большого количества АФК (например, на морских глубинах), либо те, которые приобрели цикличные способы нейтрализации накопленных АФК. Так, вероятно, возник самый первый механизм, регулирующий циркадные ритмы.
Рис. 5. Извержение вулкана [37]
Влияние изменения светового дня на продолжительность жизни
Вероятно, те, кто посещал Таиланд, замечали, что солнце там заходит примерно в 18:30 и восходит 06:30. Это происходит круглый год. Удобно. Всегда один и тот же ритм. Продолжительность дня и ночи в полярных регионах зависит от времени года. Солнце не садится за горизонт в течение 82 дней в летний период года в ареале обитания арктического суслика (рис. 6), в пределах Северного полярного круга. Во время полярного дня Солнце днем восходит высоко. Но затем спускается к самому горизонту. Полностью не опускается за горизонт, лишь едва касается его линии и опять поднимается вверх, начиная новый день. В зимний период происходит обратное. Как показало исследование, арктический суслик и некоторые другие виды арктических животных каким-то образом понимают, когда солнце опустилось низко над горизонтом, а циркадный ритм арктического суслика во время полярного дня также составляет 24 часа [41].
Рис. 6. Арктический суслик [40]
Человек в космосе во время пребывания на космических станциях должен учиться жить без смены дня и ночи. Как спят космонавты? Нет земной гравитации. Нет смены дня и ночи. Нет разницы сколько сейчас времени, и висит ли космонавт относительно Земли головой вниз или вверх. Казалось бы, забавно. Но не очень. Исследования показывают, что 50 % астронавтов используют снотворные, так как не могут заснуть самостоятельно. И все бы ничего. Но в случае непредвиденной ситуации на станции пробуждаться от сна, вызванного снотворным, – занятие так себе. К тому же им не удается высыпаться. Космонавты спят в среднем по 6 часов в сутки вместо положенных 8,5 часа. Множество факторов, действующих на человека в космосе, способствуют развитию депрессии, ухудшению качества сна. Например, 24 часа в сутки люди находятся в замкнутом помещении, не имеют возможности принимать нормальный земной душ, двигатели станции постоянно работают, что создает беспрерывный шум. А еще и дефицит кислорода, повышенный уровень углекислого газа. Тоска, одним словом. Больше ошибок, депрессия, раздражение. В 2012 году НАСА собиралась сделать для астронавтов специальные орбитальные светодиодные лампы, которые в зависимости от времени суток должны светить голубоватым светом во время бодрствования, то беловатым, то красноватым светом в вечернее время, чтобы стимулировать центр регуляции сна в головном мозге к засыпанию [42].
Люди, для которых спать днем – это нормально
Большинство людей спят ночью и бодрствуют днем. Но значит ли это, что всем без исключения обязательно спать ночью? Ведь мы видим, что в природе в зависимости от среды обитания животные имеют разные ритмы. Ближе к экватору одни, в полярном круге – другие. Подземные и глубоководные животные, которые живут в постоянной темноте, также имеют свои циркадные ритмы. А может быть, даже в рамках одного вида, например у людей, ритмы тоже могут быть разными? Ведь мы видели, что слепые люди имеют циркадные ритмы, отличные от таковых у зрячих. Люди, которые не спят ночью, могут быть полезны для общества. При чрезвычайных ситуациях ночью тот, кто бодрствует, может вовремя всех разбудить и спасти от гибели.
В последние годы интерес к изучению нарушений циркадных ритмов побудил генетиков исследовать это явление у животных, в том числе мышей. Если раньше считалось, что существуют некие правильные для всех циркадные ритмы, а любые отклонения от нормы вредны, то нокауты генов, отвечающих за ритмы сна и бодрствования, привели к неожиданным результатам. Оказывается, само по себе изменение циркадных ритмов не вредно и не сокращает жизнь, а именно способ, которым циркадные ритмы нарушаются, может быть либо вредным, либо защитным. Так, ученые из Университета Северной Каролины проводили опыты на трансгенных мышах. Обычно, если у животных нарушается нормальный ритм сна и бодрствования, то это чревато сокращением продолжительности жизни и повышенным риском развития злокачественных опухолей. Например, у мышей с нарушением циркадных ритмов имплантируемые опухолевые клетки растут быстрее. Ген p53 кодирует белок, который может вызывать остановку роста опухолей и их самоуничтожение. Если мышам нокаутировать (отключить) ген p53, то они чаще болеют раком, а продолжительность их жизни сокращается. Гены Cry управляют работой других генов, непосредственно влияющих на ритмы сна и бодрствования млекопитающих.
Кривые выживания Каплана – Мейера: пунктирная линия – мыши с нокаутами генов p53 и Cry; черная линия – мыши с нокаутом гена p53 и частичным нокаутом генов Cry (Cry1 и Cry2); серая линия – мыши с нокаутом гена p53. Адаптировано из [43]
Казалось бы, если нокаутировать гены p53 и Cry одновременно, то риск раковых опухолей должен только увеличиться, а продолжительность жизни сократиться еще больше, чем при нокауте только гена p53. Но данный эксперимент показал обратные результаты. Нокаут гена Cry защищал мышей от онкологических заболеваний, индуцируемых нокаутом гена p53. Нокаут p53 сократил продолжительность жизни мышей, но одновременный нокаут Cry увеличил максимальную продолжительность жизни с 33 до 44 недель [43]. Мыши с нокаутом обоих генов жили дольше, чем мыши с нокаутом только гена p53, в то время как мыши с нокаутом только гена Cry не отличались от мышей дикого типа в отношении частоты спонтанных и индуцированных опухолей (рис. 7). Парадокс?! Получается, что само по себе нарушение циркадных ритмов не влияет на склонность к онкологическим заболеваниям. Этот показатель может изменяться в зависимости от того, какие именно гены вызывают нарушение циркадных ритмов.
Рис. 7. Влияние нокаута генов p53 и Cry на продолжительность жизни мышей
Данный эксперимент позволяет предположить, что поскольку циркадный ритм заложен генетически, то отличный от распространенного в основной массе людей режим сна и бодрствования при условии полноценного и достаточного для конкретного человека сна не обязательно приносит вред здоровью. Проспективное когортное исследование финских близнецов в течение 30 лет показало, что работа в дневную смену может повышать или, наоборот, снижать риск развития онкологии в зависимости от индивидуальных особенностей суточных ритмов человека [44]. А люди с синдромом позднего засыпания (генетическая особенность, при которой люди ложатся спать и просыпаются позже, чем обычно) лучше себя чувствуют, ощущают бодрость и имеют большую работоспособность, когда ложатся и просыпаются поздно, что не объясняется только лишь продолжительностью сна. При попытках сдвинуть циркадный ритм приемом медикаментов в течение трех месяцев, активность, работоспособность и самочувствие людей ухудшались [45].