В других экспериментах ученые определяли, какие именно воздействия дают возможность внутренним часам синхронизировать свою работу с астрономическим временем. Оказалось, что главным сигналом, обеспечивающим такую синхронизацию, является свет. Совсем небольшого его количества оказывается достаточно, чтобы внутренние часы подстроили свою деятельность под внешнее время. Каким же образом эти часы получают информацию об уровне освещенности?
Для этого в глазу имеются специальные фоторецепторы, содержащие пигмент меланопсин. Обнаружены они были сравнительно недавно, в 1991 г., британским нейробиологом Расселом Фостером. До этого считалось, что в сетчатке глаза имеются только так называемые палочки и колбочки, обеспечивающие процессы зрения. Палочками называют цилиндрические отростки клеток сетчатки, в которых содержится пигмент родопсин, они отвечают за ночное и периферийное зрение. Колбочками называют отростки клеток сетчатки конической формы, в которых содержится пигмент йодопсин, отвечающий за цветное зрение. В ночное время, когда поток фотонов недостаточен для нормальной работы колбочек, зрение обеспечивают только палочки, поэтому в темноте человек не может различать цвета («ночью все кошки серы»).
Обнаруженные учеными новые клетки – ганглиозные – содержат пигмент меланопсин и реагируют на световое воздействие: они наиболее чувствительны к свету синего спектра с длиной волны 470 нанометров. Свет возбуждает ганглиозную клетку, затем электрический импульс по тонкому нервному стволу – ретиногипоталамическому тракту – передается в супрахиазменные ядра гипоталамуса (они удачно расположены совсем рядом со зрительным нервом). В супрахиазменных ядрах имеется отдельная группа нейронов, которые воспринимают это раздражение и передают его на другой тип нейронов СХЯ, генерирующих постоянный ритм. При этом происходит подавление транскрипции (считывание) часовых генов в ядрах этих нейронов, и период их активности корректируется в соответствии с информацией об уровне освещенности.
Как же быть людям, которые длительное время находятся в условиях постоянного освещения или отсутствия света, например работающим только в ночную смену или живущим за Полярным кругом? Оказывается, что кроме световой информации и другие воздействия могут влиять на работу внутренних часов: это выделение в кровь гормона шишковидной железы мелатонина, а также социальное взаимодействие, режим питания, внутренняя температура и физическая нагрузка.
Гормон мелатонин является уникальным веществом, исключительно тесно связанным с биологическими ритмами. Его выработка приурочена к темному времени суток: концентрация мелатонина в крови начинает возрастать вечером, около 20 часов, достигает максимального значения в 2 часа ночи, а затем снижается. Утром, когда первые лучи солнца попадают на сетчатку глаза, секреция мелатонина почти полностью подавляется. Секреция мелатонина очень чувствительна к уровню освещения. Было показано, что ничтожный световой поток в 12 люкс способен уменьшать его выработку. Высокоинтенсивное освещение потоком света в 1500 люкс приводит к прекращению выработки мелатонина в течение 15 минут. При этом важную роль играет длина световой волны. В наибольшей степени секреция мелатонина подавляется светом синего спектра, поскольку именно к нему чувствительны меланопсинсодержащие клетки сетчатки. В связи с широким распространением телевизоров с большими экранами и всевозможных гаджетов с голубой подсветкой вопрос подавления секреции мелатонина при вечернем времяпровождении приобретает все большее медицинское звучание. Так, было показано, что использование планшетного компьютера в течение двух часов приводит к уменьшению вечерней секреции мелатонина на 20 %{61}.
Свое название мелатонин получил благодаря американскому дерматологу Аарону Лернеру, который в 1958 г. выделил его из мозга коров, переработав 250 000 эпифизов (около 37 кг вещества). Профессор Лернер изучал причины возникновения витилиго – заболевания, сопровождающегося потерей кожного пигмента, из-за чего на коже образуются светлые пятна. Он предположил, что витилиго может вызывать вещество, вырабатываемое эпифизом, поскольку раньше было показано, что применение экстракта эпифиза приводит к обесцвечиванию кожи головастиков. Получив достаточное количество этого гормона, Лернер смог начать эксперименты и наблюдать, как при добавлении мелатонина гранулы красящего пигмента меланина, расположенные в клетке хаотично (это обеспечивает ее цвет), собираются все вместе вокруг ядра. При этом бо́льшая часть клетки становится прозрачной, лишенной пигмента. Принимая во внимание этот эффект, ученый назвал полученное им вещество мелатонином, подчеркивая «тонизирующее» влияние данного гормона на гранулы пигмента меланина.
Большая часть – 80 % – мелатонина, циркулирующего в крови человека, вырабатывается эпифизом. Эпифиз представляет собой непарное образование, расположенное в глубине задних отделов полушарий мозга за таламусом (зрительным бугром). Эпифиз исчерчен продольными и поперечными бороздами, как шишечка, поэтому он еще называется шишковидной железой. Выделение мелатонина эпифизом после рождения ребенка быстро возрастает, достигая максимума в возрасте трех лет, после чего начинается постепенное уменьшение его секреции, продолжающееся в течение всей жизни человека. Снижение это плавное, резкое падение наблюдается лишь после полового созревания подростка. После 55 лет у большинства людей мелатонин выделяется в совсем незначительных количествах. В этом видят одно из объяснений, почему у пожилых людей чаще нарушаются биологические ритмы и развивается бессонница.
Филогенетическая (повторяющая эволюционное развитие видов) история эпифиза очень интересна. На заре эволюции он выполнял функции «третьего глаза», снабжая животных информацией об уровне освещенности, что позволяло им приспосабливать свои биологические ритмы к окружающей обстановке. По структуре «третий глаз» был практически аналогичен двум другим и расположен наверху черепа, под истонченной костью. Через это «окошко» в пинеальный орган и проникал свет. Этот необычный орган сохранился у холоднокровных позвоночных – у пресмыкающихся, земноводных и рыб. «Глазное» происхождение эпифиза доказывается и тем, что, даже потеряв свойственную глазам структуру, эпифиз птиц может воспринимать информацию об уровне освещенности непосредственно через кости черепа.
У млекопитающих же случилось «горе от ума» – разросшиеся полушария головного мозга оттеснили «третий глаз» в глубину мозга. При этом он потерял глазоподобную структуру, сморщился и приобрел шишковидный вид. Тем не менее необходимость в получении информации об уровне освещенности у млекопитающих осталась, что привело к появлению уже в сетчатке «настоящих» глаз нового типа рецепторов (меланопсиновых) и формированию ретиногипоталамического тракта – нервного пути, ведущего из сетчатки непосредственно к нейронам супрахиазменных ядер.
Эта история объясняет и странный путь, по которому происходит регуляция синтеза мелатонина у млекопитающих. Чтобы подать сигнал для вечернего увеличения секреции мелатонина, информация об изменении освещенности в виде электрического импульса сначала поступает в супрахиазменные ядра, затем идет по симпатическому пути через гипоталамус, ствол мозга, спинной мозг и верхний шейный симпатический узел, а потом через постганглионарные волокна и отверстие в черепе попадает в эпифиз, вызывая соответствующую реакцию.
Мелатонин участвует в регуляции биологических ритмов, воздействуя на рецепторы, которые расположены в различных внутренних органах. Однако максимальная плотность этих рецепторов наблюдается как раз в супрахиазменных ядрах, т. е. именно внутренние часы максимально «заинтересованы» в его воздействии. Получается, что, с одной стороны, супрахиазменные ядра первыми получают сигнал о снижении уровня освещенности и дают сигнал эпифизу, чтобы он начал вырабатывать мелатонин. С другой – они являются и главным получателем гуморального сигнала о начале темного времени суток (о чем им и так уже известно благодаря прямой связи с сетчаткой), который доставляется мелатонином. Предполагают, что существование дополнительного канала управления позволяет внутренним часам работать стабильнее, лучше подстраиваться под ежедневные изменения светового режима.
Кроме синхронизирующего влияния на супрахиазменные ядра мелатонин оказывает действие на внутренние органы. У клеток мышц, печени, желудка и сердца есть собственные внутренние часы, регулирующие суточную периодичность их деятельности. Мелатонин, проникая к ним по кровотоку, дает дополнительный сигнал о том, что нужно переключаться на «ночной режим» работы. Если изолировать любую клетку одного из этих органов – поместить ее в питательную среду, она все равно будет изменять свою суточную активность, которую можно оценить по степени биолюминисценции (свечения тканей живых существ). Мелатонин так же, как и в случае с супрахиазменными ядрами, позволяет клетке синхронизировать собственный ритм покоя и активности с астрономическим временем, обеспечивая разные режимы работы внутренних органов днем и ночью.
Наличием рецепторов мелатонина в матке объясняется тот факт, что роды у женщин проходят в основном в темное время суток. Мелатонин, воздействуя на соответствующие рецепторы, повышает чувствительность мышц матки к главному гормону родов – окситоцину. Интересно, что использование яркого света, подавляющего секрецию мелатонина, понижает сократительную активность матки ночью и удлиняет роды. Это следует учитывать, чтобы обеспечить оптимальные условия пребывания рожениц в палатах.
Существуют сезонные колебания секреции мелатонина, отражающие изменение длительности светлого периода суток в различные времена года. Репродуктивный цикл многих млекопитающих связан с определенным периодом, когда темное время занимает большую часть суток, что обеспечивает безопасность родов и выкармливания потомства. У овец, например, репродукция максимальна в осенние месяцы, когда длина светового дня составляет 10–12 часов. Поступление в организм овцы дополнительного мелатонина при использовании подкожных имплантов позволяет повысить плодовитость этих животных. То же касается и яйценоскости кур.