Фоторецепция – восприятие света – позволяет различать предметы и узнавать себя в зеркале, а также необходима для настройки биоритма. Ответ растений и животных на свет может заключаться в том, чтобы ориентироваться по отношению к источнику света или совершать направленные в ту или иную сторону движения в ответ на свет. Но собственно зрение – способность видеть предметы – и участие света в настраивании наших внутренних часов – не одно и то же. Удивительно, что иногда незрячие пациенты могут реагировать на день и ночь и, таким образом, жить в гармонии с внешним миром. К сожалению, в других случаях потеря зрения включает также утрату циркадианной настройки, тогда слепые пациенты испытывают постоянный джетлаг. Чтобы помочь таким пациентам справиться с потерей ритма, ученые пытаются понять, как можно настроить внутренние часы без помощи света. Было установлено экспериментально, что свет непосредственно влияет на транскрипцию некоторых ключевых элементов транскрипционно-трансляционного механизма регуляции биоритма. Это значит, что, хотя в норме внутренние биологические часы настраиваются на время, диктуемое извне, это знание открывает новые возможности для «перевода стрелок» другими способами. Например, изобретение фармакологических препаратов направленного действия на компоненты внутренних часов сможет решить эту проблему.
Другие факторы, которые влияют на настройку часов, – это время употребления пищи или социальные факторы. Например, если мышей держать в совершенной темноте, но кормить в определенное время суток, они будут просыпаться за час-два до кормления и ждать его. Самое удивительное, что супрахиазматическое ядро не является необходимым для этого типа биологических часов. Если его инактивировать или вовсе удалить, мыши все равно будут способны рассчитывать время и предсказывать время завтрака. Как именно это происходит? Интересный вопрос, занимающий ученых сегодня. Также было установлено, что супрахиазматическое ядро не является критичным для регуляции сна и бодрствования. Даже без этого центрального элемента биоритмов сон все равно наступает, но его относительная независимость от механизмов циркадианных ритмов до сих пор представляется одним из самых интригующих аспектов хронобиологии.
Способны ли приспосабливаться под изменившиеся внешние условия, пластичны ли внутренние биологические часы? Установлено, что они могут настраиваться на искусственный цикл дня и ночи, если только он незначительно отличается от ритма в 24 часа. Насколько? Оказалось, что «уменьшение» суток на два часа – это слишком много (или быстро) для перестройки молекулярных часов. Иначе, если участники эксперимента попадают в искусственно устроенные короткие 22-часовые сутки, то внутренние часы перестают реагировать на внешние изменения света и начинают идти в собственном ритме. Установление этого явления оказалось очень важным для понимания того, как взаимодействуют системы, регулирующие сон и биологические часы.
Гарвардская лаборатория исследователя циркадианных ритмов Чарльза Кзайслера разработала экспериментальный подход, названный вынужденной десинхронизацией, для изучения такой связи. Испытуемые жили в условиях коротких или длинных суток. Они должны были спать «ночью», которая наступала каждый день на четыре часа раньше или позже, и соответственно раньше или позже встречать «рассвет». Независимо от времени, которое «показывали» внутренние часы, самый глубокий сон был в начале процесса сна после «дня», проведенного в бодрствовании. С другой стороны, REM-фаза сна была в большей степени подвержена влиянию биоритма, так же как и сонные веретена – тип активности мозга, регистрируемой на ЭЭГ во время NREM-фазы сна. В итоге был сделан вывод о важности не только количества сна, но и его «качества», а оно регулируется в том числе фазой внутреннего ритма. Впрочем, подобное заключение распространяется не только на сон, но и на бодрствование, некоторые аспекты которого управляются биологическими часами. Эксперимент, в котором испытуемых лишили сна на несколько дней и во время которого они каждые несколько часов оценивали свое самочувствие и уровень усталости, показал удивительный результат. Даже спустя 48 часов постоянного бодрствования (что эквивалентно потере примерно 16 часов сна) в определенное и одно и то же время суток испытуемые заявляли о прекрасном самочувствии.
Однажды астрофизикам на Земле пришлось жить по марсианскому времени, сутки которых длиннее земных на 37 минут. Казалось бы, небольшая разница, но выяснилось, что даже такое небольшое отличие не стоит недооценивать. Обработку данных, поступающих в течение марсианского дня с зонда, отправленного на Марс, нужно было проводить немедленно – для эффективного определения задач на следующий суточный период. Спустя несколько дней работы в таком непривычном режиме ученые заметили проявление хронического джетлага, который чуть не поставил под угрозу эту космическую миссию. А хронобиологи получили еще одно подтверждение нашей зависимости от собственных биоритмов! Это напоминает о необходимости дальнейших исследований адаптации к режиму суток, отличному от 24 часов. Для чего? Чтобы в условиях, когда информация о дне и ночи недоступна или искажена, например в реанимации или на космических станциях, организм мог нормально функционировать.
Юрген Ашофф в последние годы своей жизни изучал ощущение течения времени у человека в условиях временнóй изоляции и факторы, влияющие на это. Оказалось, что в зависимости от биоритма меняется восприятие времени в течение суток. Второй вывод был следующим: изменение интенсивности освещения меняет скорость течения времени. С точки зрения наблюдателя оно иногда «бежит» быстро, а иногда замедляется. Иначе говоря, чем свет ярче, тем медленнее шло субъективное время или, иными словами, тем быстрее ощущалось течение объективного времени (вспомните бессонную ночь, когда время растягивается в вечность).
Вероятность рождения и смерти связана со временем суток; один и тот же препарат может быть более или менее токсичным в зависимости от времени употребления.
Среди симптомов редкого заболевания, который называется «синдромом Алисы в Стране чудес», встречаются не только изменение визуального представления о пропорциях собственного тела, но и искажение восприятия времени, и есть свидетельства того, что это проявление особенно обостряется к вечеру. Можно заявить, что существует ряд заболеваний, имеющих ярко выраженный циркадианный характер: начиная от мигрени и заканчивая сердечно-сосудистыми расстройствами. Известно, что вероятность рождения и смерти связана со временем суток; один и тот же препарат может быть более или менее токсичным в зависимости от времени употребления. Подобных примеров много, очень много. Биоритмы – это продукт нашей эволюции в меняющемся мире, и уникальная способность предсказывать будущее настолько жизненно важна, что влияние периодически повторяющихся процессов и явлений пронизывает все аспекты нашего существования, на всех уровнях организации живой материи.
История третьяПожить без будильника и солнца, или Бункерный эксперимент Ашоффа
Можете оценить, сколько времени вы смогли бы провести в закрытом помещении, полностью изолированном от внешнего мира? По собственной воле, конечно. При условии, что вам не нужно будет заботиться о комфорте в вашей небольшой квартирке, о чистоте постели и продуктах – их будут регулярно поставлять. Правда, вы будете в одиночестве и будет знать, что помещение напичкано электроникой, за каждым не просто вашим шагом по небольшому периметру, но даже за дыханием и движением глаз во сне будут пристально наблюдать приборы. Вам нужно будет выполнять несложную работу, которая вряд ли вас увлечет или полностью поглотит, но она не займет много времени, которое определить не удастся: в этом странном жилище нет окон, а у вас – часов. Светильники есть, и их можно включать-выключать, когда заблагорассудится, спать – сколько телу и голове угодно и как удобно. Спать, сколько хочется, а не до первых петухов или первых лучей солнца, не в привычном для социума ритме, который в определенное время зовет на работу, учебу или на свершение других важных дел.
Риторический комментарий о цене вопроса такого опыта мы приводить не будем, но нам близки и понятны поступки тех немногих, которые ставят подобные испытания и отправляются в такое заточение: наука, неизбежно развиваясь, заставляет ученых придумывать разные способы, изощренные методы и изящные механизмы для постижения окружающего мира и получения как можно больше знаний о себе. Кстати, помимо исследователей, ставших первыми участниками уникального эксперимента, нашлось и достаточно добровольцев, которые тоже хотели участвовать в нем. Студенты здесь не отвлекались от подготовки к экзаменам и выполнения важных проектов, другим просто необходимо было побыть одним для медитации или прийти в себя после неудачных романтических отношений – да мало ли какие поводы могут заставить человека согласиться провести в одиночестве несколько дней или даже недель! Каждый знал, что если будет совсем трудно, то из эксперимента, проходящего в необычном месте, где нельзя отличить день от ночи, где за комфортный жизненный ритм участника отвечал только его организм, – можно выйти, просто открыв дверь.
Во второй половине прошлого века Юрген Ашофф – немецкий биолог, один из гигантов, определивших направления движения развития внутри научной области, названной хронобиологией, – получил возможность подтвердить существование биологических часов у людей и уточнить длину их суточного колебания. Ашофф стал первым участником собственного проекта, который получил название «бункерный эксперимент». «После большого интереса к „истинному“ времени в течение первых двух дней жизни в бункере я потерял всякий интерес к этому вопросу и почувствовал себя совершенно комфортно, живя „вне времени“», – описывал Ашофф результаты первых наблюдений в статье в