45. Тем не менее, как мы увидим в главе 7, стабильность в 1 % превышает стабильность часовых механизмов, создававшихся часовщиками вплоть до XVII в., когда Христиан Гюйгенс изобрел новые часы с маятником.
Циркадный ритм, наблюдающийся без воздействия каких-либо внешних сигналов, называют свободным циркадным ритмом. Изучение свободного циркадного ритма у людей осложняется тем, что для таких экспериментов нужны добровольцы, соглашающиеся жить в полной изоляции от внешнего мира на протяжении многих дней или даже месяцев. В одном из самых знаменитых экспериментов такого рода в 1972 г. французский геолог Мишель Сифр шесть месяцев прожил в пещере в Техасе. Эксперимент был выполнен в рамках одного из проектов НАСА, предпринятого с целью изучения влияния длительной изоляции на тело и мозг участников будущих межпланетных экспедиций. Сифр расположился в пещере глубоко под землей, куда ему поставляли воду и пищу, и где установили оборудование, регистрировавшее его режим сна. Освещенность и температура в пещере никак не менялись в зависимости от времени суток на поверхности, так что Сифр никак не мог определить время. Он жил в «свободном ритме», но, в отличие от лабораторных мышей, не был в постоянной темноте. В любой момент он мог позвонить на поверхность и попросить включить или выключить свет в пещере.
У мышей в подобных экспериментах не было выявлено явных признаков дискомфорта или физиологического стресса. Мы вполне можем представить себе диких мышей, по многу дней живущих в подвалах или пещерах в полной изоляции от каких-либо источников света. Кроме того, для грызунов зрение не так важно, как для людей. Крысы и мыши — ночные животные, и поэтому для ориентации в пространстве они в гораздо большей степени полагаются на уши и чрезвычайно сложно устроенные усики, чем на глаза. Люди переносят подобные эксперименты намного хуже. Сифр страдал от приступов депрессии, провалов в памяти, забывчивости и даже помышлял о самоубийстве. И его циркадный ритм совершенно нарушился. В первые дни он растянулся до 25 или 26 ч, затем стал очень изменчивым. Иногда сутки для Сифра растягивались на 48 ч: он спал по 16 ч и бодрствовал более 32 ч.
На 179 день Сифру объявили, что эксперимент закончен. Он был очень удивлен, поскольку считал, что пробыл в пещере 151 день, т. е. он ошибся на 16 %. Время для него растянулось, и его внутреннее ощущение течения времени замедлилось по сравнению с реальным временем. Учитывая тяжесть нахождения в изоляции, трудно предположить, что он недооценивал проходящие часы.
Такая форма растяжения времени наблюдалась и в других экспериментах по изоляции людей. В 1988 г. Вероника Ле Гуэн прожила в пещере во Франции 111 дней, а когда вышла на поверхность, считала, что прошло только 42 дня! В 1989 г. итальянский дизайнер интерьеров Стефания Фоллини провела четыре месяца в пещере на глубине 50 футов. Но сама она считала, что пробыла под землей только два месяца. В 1993 г. итальянский социолог прожил в подземной пещере целый год, а когда вышел на поверхность 5 декабря, то считал, что было 6 июня46.
Ограниченность таких экспериментов заключается в том, что участвующие в них люди, возможно, не полностью отключены от внешних сигналов. В пещерах существует собственная биосистема; к примеру, там живут летучие мыши и насекомые, по поведению которых можно понять или почувствовать время на поверхности. Так, Сифр рассказывал о своих неудавшихся попытках подружиться с жившей в пещере мышью, а мышь, скорее всего, показывалась по ночам. Чтобы справиться с подобными ограничениями и избавить добровольцев и ученых от необходимости проводить долгое время в удалении от других людей, биологи осуществляют эксперименты в специализированных лабораториях или в бункерах.
В 1985 г. были опубликованы результаты экспериментов, в ходе которых 42 добровольца находились в изоляции от одной недели до одного месяца. В бункерах они жили в одиночных помещениях и не получали никакой информации относительно времени во внешнем мире. Они сами готовили себе еду и могли самостоятельно включать и выключать свет. Они должны были сообщать о времени пробуждения и отхода ко сну, а температуру их тела постоянно контролировали. По оценкам большинства участников эксперимент длился на 20–40 % времени меньше, чем на самом деле47. Как и в экспериментах в пещерах (и в отличие от экспериментов с грызунами), циркадный ритм людей часто сбивался.
Цикл сна и бодрствования — не единственное свидетельство существования биологических часов. Многие физиологические показатели изменяются в зависимости от времени суток. Например, температура человеческого тела не всегда равна строго 36,6 °C. Она колеблется вокруг этот значения, обычно достигая максимума ранним вечером. У многих участников экспериментов цикл изменения температуры фактически оставался равным 24 ч, даже когда продолжительность цикла сна и бодрствования скакала от 20 до 40 ч. Это означает, что внутри нас существуют разные часы, и они не всегда идут синхронно.
В глубине мозга каждого человека есть структура, называемая гипоталамусом. А в глубине гипоталамуса, над перекрестом нервов (хиазмом), несущих информацию от левого и правого глаза, располагается супрахиазматическое (надперекрестное) ядро.
В 1970-х гг. стало известно, что у грызунов с повреждением супрахиазматического ядра полностью нарушается циркадный ритм сна и бодрствования. Они спят отрывочно как в ночное, так и в дневное время. Эти первые наблюдения позволили предположить, что супрахиазматическое ядро управляет циркадным ритмом. Доказательства появились в 1980-х гг. в результате серии новых экспериментов. Один из самых захватывающих экспериментов заключался в трансплантации мозга48. У хомяков со свободным циркадным ритмом суточный цикл сна и бодрствования практически равен 24 ч. Однако существует мутация, приводящая к сокращению цикла до 20 ч. Если супрахиазматическое ядро действительно отвечает за циркадный ритм, по мнению ученых, пересадка этого органа может привести к смене 20- часового цикла на 24-часовой цикл.
Вообще говоря, подобного рода манипуляции с головным мозгом возможны только в научно-фантастической литературе. Однако супрахиазматическое ядро устроено достаточно просто и относится к тем немногочисленным отделам мозга, трансплантация которых вполне реальна. В отличие от большинства отделов мозга супрахиазматическое ядро является четко идентифицируемой структурой и получает сигналы всего из нескольких других областей. Кроме того, оно сообщается с другими частями мозга не только посредством электрических импульсов через хрупкие аксоны, которые не очень хорошо регенерируют, но и выделяет гормоны непосредственно в кровоток.
Исследователи повреждали супрахиазматические ядра хомяков двух типов и каждому типу пересаживали клетки другого типа. В результате они превратили хомяков с 24-часовым циклом в хомяков с 20-часовым циклом и наоборот. Таким образом, не тело или мозг хозяина управляют циркадным ритмом супрахиазматического ядра; все наоборот: небольшая группа из 10 000 супрахиазматических нейронов берет на себя контрольную функцию и сообщает хозяину, когда ему следует отправляться спать, а когда пора вставать и крутить колесо.
Является ли наличие головного мозга обязательным условием для существования циркадного ритма? Вовсе нет. Следование световым и температурным изменениям, вызванным вращением Земли, а также их предвидение играют настолько важную роль, что биологическими часами снабжены практически все живые существа.
Самые первые эксперименты по изучению свободного циркадного ритма проводились на растении мимоза стыдливая (Mimosa pudica), которое днем раскрывает листья, подставляя их к солнечному свету, а ночью закрывает. В 1729 г. французский астроном Жан-Жак Дорту де Меран перенес мимозу в темную комнату и обратил внимание, что на протяжении многих дней растение продолжало раскрывать и закрывать листья в соответствии с истинным временем суток. По-видимому, сам ученый не очень доверял своим результатам. Во времена де Мерана одна из важнейших научных задач заключалась в поисках способов определения времени суток в море, и трудно было поверить, что какое-то примитивное растение обладает собственным часовым механизмом. Де Меран заключил, что поведение растения определяется какими-то иными сигналами, такими как температура или неизвестные магнитные влияния, которые заставляют его раскрывать и закрывать листья. Ученым понадобилось более 200 лет, чтобы понять, что все растения и животные имеют внутренние часы, и даже индивидуальные клетки осциллируют в 24- часовом ритме.
Когда мы говорим, что индивидуальные клетки осциллируют, мы не имеем в виду, что они физически вибрируют, подобно кристаллам кварца, или раскачиваются вперед и назад, как маятник. В данном случае под осцилляцией понимают изменение концентрации внутриклеточных белков. Клетки — не статичные образования. В зависимости от выполняемой в конкретный момент работы в них очень сильно меняется концентрация различных белков. Например, клетки выстилки кишечника усиливают выработку пищеварительных ферментов каждый раз, когда мы едим. Аналогичным образом, при повышении концентрации глюкозы в крови клетки поджелудочной железы активируют синтез белков, задействованных в производстве инсулина.
Но клетки руководствуются не только внешними стимулами, у них есть свой внутренний ритм. Как и мыши, индивидуальные клетки тоже обладают свободным ритмом. При постоянстве температуры и биологической среды многие клетки придерживаются собственного циркадного ритма, что видно по увеличению и снижению концентрации некоторых белков в 24-часовом режиме. Наблюдать за этими осцилляциями можно с помощью хитроумных генно-инженерных манипуляций.