м циклом активности и отдыха. Нарушение суточного ритма было связано с мутацией гена.
Когда Ральф и другие стали изучать этот ген, они выяснили, что его действие в основном связано с небольшой группой клеток в ткани мозга. Мутация затрагивала клетки в участке, обнаруженном Рихтером. Ральф выиграл пари.
Картина еще более прояснилась в начале 90-х годов XX века, когда в клинику сна в Солт-Лейк-Сити обратилась пациентка со странной проблемой. Спала она по восемь часов, но в какое бы время она ни пыталась лечь спать, засыпала она всегда в 19.30, и это означало, что просыпалась она в 3.30. Ее часовой механизм работал, но со сдвигом. Когда пациент обращается в клинику, его обкладывают датчиками, которые во время сна регистрируют скорость дыхания и сердцебиения, температуру тела и другие параметры. Ничего необычного в состоянии пациентки обнаружено не было.
Однако женщина сообщила удивительный факт: среди ее родственников были люди с точно такой же странностью. Родственники, жившие в разных местах, тоже вставали очень рано. Кто-то из них в детстве спал нормально, но со временем перешел на этот странный режим. Постепенно ученые начали понимать, что дело не в том, где эти люди живут или что едят.
Было составлено генеалогическое древо, на котором отметили всех людей с нарушением и без нарушения сна. Картина прояснилась: это был классический пример проявления генетического признака, как в случае с мутантными дрозофилами.
Однако одно лишь изучение генеалогии не позволяет обнаружить дефект ДНК. Для выявления причины нарушения требуется взять немного клеток у всех членов семьи (обычно для этого берут мазок внутренней стороны щеки) и сравнить ДНК из клеток тех, кто встает рано, и тех, кто встает как все. Если генетическое различие между двумя группами людей существует, оно где-то в последовательности ДНК.
Сравнительный анализ ДНК выявил конкретную замену в конкретном гене. Гены и белки имеют характерные последовательности. Если известна последовательность и структура гена или белка, довольно легко найти его в других клетках. Именно так была обнаружена связь между ДНК рано просыпающихся людей, ДНК хомячков Мартина Ральфа и генами спозаранку вылуплявшихся дрозофил Конопки и Бензера. У каждого вида свои особенности белковых взаимодействий внутри часового механизма, но основные гены и принципы действия молекулярного маятника внутренних часов одни и те же. Мух, хомячков и людей объединяют общие детали внутреннего часового механизма, общие гены, общая история.
Общность часового механизма не только указывает на нашу связь с другими видами, но и позволяет выявить фундаментальные принципы устройства клеток человеческого тела. Внутри всех клеток (от клеток мозга, найденных Рихтером, до клеток печени или клеток кожи на кончике пальца) присутствует один и тот же генетический часовой механизм. Если вы страдаете нарушением сна, имеющим генетическую природу, врач может поставить диагноз по клеткам кожи, капле крови или мазку с внутренней стороны щеки. Каждая клетка существует в соответствии с суточным ритмом, отбиваемым молекулярными «часами» — столь же древними, как сами животные.
Как устанавливается ритм молекулярных «часов» в наших клетках, как они подстраиваются к смене дня и ночи? Дорожный будильник, который мы берем в путешествие, работает двадцать четыре часа в сутки, но он не способен самостоятельно определить, в какой часовой зоне находится, и ему требуется помощь. Так почему мы, люди, ощущаем изменение суточного ритма? Что подняло меня на ноги в два часа ночи тем летом в Арктике?
Наши внутренние часы связаны с внешним миром посредством нескольких «сигнальных систем», важнейшей из которых является восприятие света. Большая доля света, проникающего в глаз, передается в виде сигнала в определенные отделы головного мозга, интерпретирующие зрительную информацию. Однако некоторые сигналы поступают в другие отделы мозга, в частности, к клеткам, обнаруженным Рихтером. Отсюда сигнал передается к шишковидной железе размером с горошину, расположенной в основании головного мозга. Некоторые (в том числе великий французский философ Рене Декарт) считали шишковидную железу вместилищем души. У некоторых видов ящериц и рыб эта железа образует что-то вроде третьего глаза и непосредственно воспринимает световую информацию. А у человека это своеобразный коммуникационный узел, собирающий информацию. Выделяемый шишковидной железой мелатонин запускает реакции во всех отделах нашего тела.
Эта цепочка реакций подстраивает наше тело к смене дня и ночи. Именно этот путь настраивает внутренние часы так, что свет для нас означает день, а темнота — ночь. Когда мы попадаем в другую часовую зону, сигнальный путь настраивает организм на новый световой режим.
Что происходит, когда яркий солнечный свет попадает в глаза в середине дня? Обычно ничего, кроме обыкновенной настройки зрительного аппарата. Но если яркий солнечный свет попадает в глаза в сумерки, это может нарушить сон. Люди, работающие в сумерки при ярком свете, обычно устают позже, чем обычно. Верно и обратное: яркий солнечный свет на рассвете заставляет людей просыпаться и засыпать раньше обычного. Наш цикл сна и бодрствования изменяется, если мы находимся при свете тогда, когда наш мозг настроен на темноту. Современные люди находятся под воздействием искусственного освещения в любое время суток, и наши внутренние часы перестраиваются всякий раз, когда мы среди ночи читаем или разбираем электронную почту. Ритм современной жизни не совпадает с древними биологическими ритмами.
Наше здоровье в значительной степени связано с биологическими часами. Люди, работающие по ночам и спящие днем, больше подвержены сердечно-сосудистым заболеваниям и некоторым видам рака, в частности раку молочной железы. Ученые, работающие с мышами, установили, что механизм коррекции ошибок в ДНК клеток кожи мышей работает по часам и наиболее активен вечером. В ДНК, скопированной утром, содержится больше всего ошибок. Ультрафиолетовое излучение нарушает процесс копирования ДНК и способствует возникновению рака кожи. Таким образом, для мышей солнечные ванны по утрам опаснее вечерних. У людей тоже есть такие часы, но они настроены противоположным образом: наш аппарат коррекции ошибок в ДНК активнее всего утром. Таким образом, загорать утром менее опасно, чем вечером. Наш метаболизм тоже подчиняется биологическим часам. Известно даже, что склонность к ожирению может коррелировать с недостатком сна.
Функционирование организма подчиняется суточному ритму.
Учитывая связь функционирования ДНК и деления клеток с биологическими часами, не приходится удивляться, что некоторые лекарства эффективнее в определенное время суток — это обусловлено уровнем интенсивности света, воспринимаемого мозгом. Таким образом, на нашу предрасположенность к заболеваниям, как и на лечение, влияет катаклизм, произошедший на нашей планете более четырех с половиной миллиардов лет назад.
На кладбищах в южной части штата Индиана можно найти могилы европейцев, осваивавших эту территорию в конце XVIII века. То были смелые люди, о чьей непростой жизни повествуют надгробные плиты. Немногие преодолевали сорокалетний рубеж, и если судить по датам на памятниках, долгое время кладбища были весьма посещаемым местом. Природа распорядилась так, что для надгробных плит поселенцы нашли практически идеальный материал. Надписи, выбитые в начале XIX века на мелкозернистом, твердом камне, выглядят так, будто их выполнили вчера.
В могильных камнях отразилось изменение ритма приливов и отливов.
Мы привыкли изучать надписи на могильных плитах и практически не обращаем внимания на сами плиты, а ведь они тоже могут рассказать много интересного. Надгробные плиты на могилах первых европейских поселенцев Индианы имеют неровные боковые поверхности. Материал был добыт в карьере близ города Хиндостан. В этом месте можно увидеть, как формировались горные породы. Земля вращается вокруг своей оси, а Луна вращается вокруг Земли, и уровень воды то поднимается, то опускается. Сотни миллионов лет назад эта часть Индианы лежала на дне. Год за годом приливы и отливы образовывали слои отложений, и по следам на камнях можно проследить их годовую амплитуду. На краях могильных плит запечатлен ритм приливов и отливов, происходивших в те времена, когда Земля вращалась быстрее, а дни были короче, чем теперь. И люди, и планета оставили отметки на камнях. Так что и тела покойных, и камни на их могилах имеют общую историю, связанную с вращением и соударением небесных тел.
Глава 5От малого к большому
Около 4,6 миллиарда лет назад юное Солнце вытолкнуло материю нашей будущей планеты на нынешнюю земную орбиту. Катаклизм, подаривший нам Луну, был далеко не единственным. Если судить по возрасту лунных кратеров и обнаруженных на Земле обломков метеоритов, такие столкновения происходили достаточно часто. Период относительного затишья наступил около 3,9 миллиарда лет назад.
Здесь кроется загадка, долгое время ставившая ученых в тупик. В самых верхних, молодых слоях горных пород содержатся окаменелости — раковины и кости, которые можно увидеть в любом музее естественной истории. А в более глубоких и древних слоях нет ни костей животных, ни спор растений — нет вообще никаких остатков жизни. И это лишенное признаков жизни основание гор — не тонкая прослойка, а многокилометровые слои. Вся история человечества, да и вообще вся история жизни на Земле, уместилась в тонком верхнем слое земной коры. Если историю планеты сжать в один календарный год, то можно сказать, что до середины ноября (около четырех миллиардов лет) Земля была необитаемой. Для Чарльза Дарвина это внезапное появление жизни было «необъяснимой загадкой». Ответ на эту загадку, а также объяснение происхождения современного мира пришли из совершенно неожиданного источника.
Сталелитейные заводы города Гэри в Индиане напоминают гигантские скелеты древних животных. В 50-х годах XX века эти заводы поддерживали автомобильное производство, активно развивавшееся на Среднем Западе. Америке нужно было железо, и Стэнли Тайлер, подобно многим геологам, изучал железосодержащие руды региона. Поскольку в этой местности железо обычно содержится в самых старых породах, в поисках руды геологи чаще всего обращали внимание на основания гор. Тайлеру было известно, что эти камни могут оказаться полезными для геологов, но неинтересны для палеонтологов.