Жизнь по биочасам

Исследователи из Калифорнийского университета в Дэвисе (University of California-Davis) не так давно обнаружили связь гормона ауксин (auxin) с биологическими часами растений, что имеет важное значение для аграрного хозяйство. Теперь можно помочь растениям приспособиться к изменениям окружающей среды, например, повышенному содержанию углекислого газа в воздухе.

С тех пор, как на Земле зародилась жизнь, время приобрело свое настоящее значение. Ибо оказалось, что все живые существа реагируют на смену времен года, и смена закатов и восходов в той или иной степени отражается на жизни любой букашки. Что уж говорить о человеке!

Хронобиология — наука, изучающая влияние периодически повторяющихся космических процессов на самочувствие и жизнедеятельность живых существ, в том числе человека. Парадокс в том, что это наука, которой вроде бы и нет. Например, Рассел Фостер (Russell Foster), профессор Оксфордского университета (University of Oxford), изучает околосуточные, то есть циркадианные (от лат. circa — около и dies — день) ритмы и имеет специализацию «циркадианный нейробиолог». А вот в названии специальностей нейробиолога Дина Буономано (Dean V. Buonomano), профессора Калифорнийского университета (University of California) или Альберто Оливерио (Alberto Oliverio), доцента психологии римского университета (Sapienza, Università di Roma) не отражено то, что они исследуют влияние смен времен суток и года на организмы, хотя исследования этих ученых лежат именно в русле хронобиологии.

В России выходят такие книги, как «Стрелки часов и наше здоровье» или «Хронобиология и спорт» — и авторы в обоих случаях не хронобиологи. Автор первой, Вячеслав Апрелев — специалист по прикладной астрономии и системному анализу, кандидат военно-морских наук; автор второй, Владимир Александрович Таймазов — ректор Санкт-Петербургского государственного университета физической культуры имени П. Ф. Лесгафта. На одном из российских сайтов, посвященном хронобиологии и хронобиотикам, авторы завершают свой многостраничный опус фразой: «хронобиология — часть практической астрологии». Астрология совершенно справедливо не считается наукой ни в одной стране мира, в то время как исследования ритмов жизни являются именно научными.

В организме человека и многих других живых существ принято различать два типа ритмов: циркадианные, связанные с солнечным циклом, и инфрадианные, повторяющиеся через опредленные, но не одинаковые периоды. Циркадианные ритмы являются основным понятием хронобиологии. Они связаны с циклической сменой освещенности, то есть вращением Земли вокруг своей оси. Самый простой пример циркадианного ритма  — чередование состояния бодрствования со сном. Хорошим примером инфрадианных ритмов может служить процесс овуляции: ей присуща регулярность, но точного промежутка между повторяющимися процессами не существует — периоды могут иметь разную продолжительность.


Как только появилась гипотеза, что многие процессы «привязаны» к солнечному ритму, возник вопрос: что является для живого организма «часами»? Любопытный опыт провел в 1729 году ученый секретарь Парижской Королевской Академии наук (L’Académie franςaise) де Мэран (Jean-Jacques D’Ortous de Mairan, 1678–1771), астроном и математик. Заметив, что ночью фасоль опускает листья, а перед рассветом поднимает, он решил «обмануть» растение. Но в темной комнате днем и в освещенной комнате ночью листья фасоли делали то, что им положено делать в это конктерное время суток.

Последоватили де Мэрана повторили его опыты, поместив растения в глубокую темную пещеру, где температура была неизменна и днем, и ночью. Движения листьев продолжались! Только через много дней эти движения прекратились, но от очень короткой вспышки света вновь возобновились. Так появилась гипотеза, что «часы» находятся внутри клеток растения. Главный вопрос — где именно и как они работают? Поразительно, но и сегодня наука не способна дать точного и однозначного ответа на этот вопрос. 

«Внутренние часы» позволяют летучим мышам безошибочно определить, когда пришло время выйти из зимней спячки и отправиться на охоту.

Все больше данных свидетельствуют о том, что «часы» не сбиваются вне зависимости от того, находится ли орагнизм в состоянии покоя или же активной жизнедеятельности. Пчелы на зиму цепенеют в своих темных ульях, а «часы» у них идут всю зиму, и весной пчелы правильно определяют время суток. Охлаждаются и цепенеют при температуре, близкой к 0 градусов, повисшие вниз головой в темных пещерах летучие мыши. Проходит много месяцев до теплых летних ночей, и когда приходит время, мыши вылетают на ловлю ночных насекомых. Не сбиваются с нужной фазы и околосуточные периодические процессы у растений, помещенных на много недель в темноту при постоянной температуре. При этом нет никаких внешних проявлений хода «часов», движения «стрелок» не видно. 

Влияние освещенности на жизнедеятельность организмов кажется очевидным и не столь загадочным, однако это не мешает ученым делать все новые открытия в этой области. Исследование группы американских ученых под руководством Брайана Крэйна (Brian R. Crane), профессора факультета химии и химической биологии Корнелльского университета (Cornell university) показало, как свет «запускает» механизмы защиты у грибов Neurospora crassa на молекулярном уровне.

Ученые изучили белок, названный vivid («яркий, живой»), который содержит хромофор — свето-абсорбирующую молекулу. Хромофор захватывает квант света, и полученная энергия света вызывает ряд взаимодействий, которые в конечном счете приводят к изменениям на поверхности «яркого» белка. Эти структурные изменения включают гены, в том числе те, что запускают (или останавливают) производство каротиноида. Заменив единственный атом (серу на кислород) на поверхности белка, исследователи смогли предотвратить структурные изменения, нарушив регулирование производства каротиноида. Поскольку в природе такие замены практически невозможны, очевидно, что этот механизм очень надежен.


Солнечный свет включает самые различные механизмы в живых организмах. Если у грибов свет запускает механизм защиты от радиации солнечных лучей, у других живых существ свет регулирует, например, время раскрытия бутона. Для животных, ведущих дневной образ жизни, рассветные лучи солнца — сигнал к пробуждению, а для тех, кто активен ночью, — это сигнал «отбоя». 

По словам Рассела Фостера, между мушками-дрозофилами и мышами (которых ученые выбрали в качестве традиционного объекта изучения) 600 миллионов лет эволюционной истории, однако молекулярный часовой механизм и зависимость от циркадианных ритмов у столь разных живых существ во многом схожи.

Солнечный свет «запускает» многие важные процессы жизнидеятельности организмов на молекулярном уровне. Группа профессора Брайана Крэйна выяснила, как «запускается» механизм защиты грибов с помощью особого белка. Ещё в 1972 году американские исследователи проводили опыты с супрахиазматическим ядром — структурой головного мозга, расположенной над перекрестом зрительных нервов. Оказалось, что разрушение супрахиазматического ядра приводит к исчезновению циркадианной двигательной активности животных: периоды сна и бодрствования становятся у них хаотичными. У животных с нефункционирующим супрахиазматическим ядром пропадает цикличность выброса в кровь гормонов стресса — адреналина и глюкокортикоидов.

Любопытно, а как наш организм отмеряет время? Раньше было принято думать, что мозг имеет «встроенные часы». В пределах переднего отдела гипоталамуса есть зона, так называемое супрахиазматическое ядро, клетки которой поддерживают информацию о 24-часовом цикле. Даже отдельно взятый нейрон из этой зоны способен испускать электрические импульсы в рамках 24-часового ритма, доказывая, что механизм регулирования основан на молекулярных взаимодействиях внутри единственной клетки. Группа Рассела Фостера открыла и описала фоторецепторы внутри глаза млекопитающих, улавливающие свет и запускающие механизмы, подчиненные циркадианным ритмам.

Принципиально другую модель восприятия времени предложил Дин Буономано. Он описывает эту модель весьма образно: «Представьте, что вы бросили камень в воду — по гладкой поверхности водоема пойдут круги. Взглянув на эту рябь, наблюдатель может представить, когда именно был брошен камень. В нашей модели мозг функционирует именно так: любой сенсорный сигнал обрабатывается, вызывая каскад реакций в клетках мозга и их цепочках. Информация о следующем сигнале оказывается следующим звеном в контексте уже полученных ранее сигналов». В ходе исследования было замечено, что добровольцы теряют «чувство времени», если интервалы предваряются случайным, сбивающим с толку, сигналом. Вероятно, если бы мозг содержал «встроенные часы», внешний сигнал вряд ли вывел бы их из строя.

Супрахиазматическое ядро — уникальная структура. Когда учёные удаляют ядро из мозга грызунов и помещают в питательную среду, насыщенную кислородом, то ещё несколько месяцев нейроны ядра сохраняют циклическую стабильность — меняется частота и амплитуда поляризации мембраны, а также уровень выработки различных сигнальных молекул.

Продолжительность светового дня важна для человека, и электрическое освещение здесь мало что меняет. Некоторые особо светочувствительные люди утверждают, что им становится грустно уже в конце июля — всего лишь потому, что солнце в зените больше не стоит так высоко, как в день летнего солнцестояния, а их чуткие глаза это фиксируют.

Альберто Оливьеро видит причины осенней хандры в гормональном дисбалансе. Совокупность факторов — укороченный световой день, перепады температуры воздуха — заставляют организм производить новый осенний «коктейль» гормонов, в котором, по сравнению с летней версией, ниже доля серотонина (гармона радости) и выше — мелатонина.

Мелатонин выполняет расслабляющие функции, он способен вызывать сонливость и в некоторой степени повышает склонность человека к депрессии. Чтобы противостоять этим невзгодам, Оливьеро советует гулять на свежем воздухе по крайней мере 20–30 минут день (так организм лучше «освоит» новую сезонную программу). Ещё один способ самолечения — солнце, настоящее или искусственное, главное, чтобы оно содержало все лучи спектра. Наконец, профессор из Рима предлагает учесть, что организму легче даются аэробные нагрузки (упражнения на выносливость, увеличивающие потребление организмом кислорода) нагрузки в первой половине дня, а анаэробные (силовые) — после полудня, и в соответствии с этим планировать свой день. 

Ещё одна осенняя напасть — переход на зимнее время, которая производится в 67 странах мира. Вячеслав Апрелев утверждает, что от перевода стрелок больше вреда, чем пользы, и аргументирует это так. Согласно положениям эволюционной сомналогии, человек чувствует себя выспавшимся и здоровым, когда его мозгу удается «отработать» все циклы быстрого и медленного сна. Продолжительность фаз медленного сна в течение ночи укорачивается от цикла к циклу, зато периоды быстрого сна удлиняются: от 5–10 минут в начале до 30 минут к рассвету. Быстрый сон активизирует процессы памяти, и, если его прервать до завершения фазы, то процессы запоминания информации будут «сбиты». Если усвоенный за прошедший день материал не переносится в долговременную память, он стирается и быстро забывается. Некачественный сон нарушает привычное для организма расписание выработки гормонов, а также влечет потерю многих аспектов нестандартного мышления. 

Существованию «сов и жаворонков» есть вполне научное объяснение, и связано оно с выбросами гормонов кортизола и мелатонина. У «жаворонков» максимум выброса кортизола, участвующего в обмене веществ, происходит раньше, чем у большинства людей, — в 4–5 часов утра. А выброс гормона сна — мелатонин — происходит задолго до полуночи. У «сов» всё наоборот: мелатонин выделяется позже, ближе к полуночи, а пик выброса кортизола сдвинут на 7–8 часов утра.

Рассел Фостер полагает недостаток сна опасной проблемой современных развитых стран: проблема в том, что укороченный сон напрямую вредит тем мозговым механизмам, которые определяют способность нашего мозга к инновациям. Что значит укороченный сон? По оценкам ученых, в начале XX века люди спали более девяти часов, в 1960-х — более восьми часов. В наши дни 2/3 работающих американцев и почти столько же (62%) россиян спят менее восьми часов в сутки в течение всей рабочей недели.

Тем, кому снижение креативности кажется несущественной проблемой, стоит задуматься о другом: работа в ночную смену наряду с такими известными канцерогенами, как повышенное ультрафиолетовое излучение и выхлопные газы увеличивает риск заболеть раком. Первым на канцерогненность ночных смен обратил внимание онколог Ричард Стивенс (Richard Stevens), профессор Университета штата Коннектитут (University of Connecticut). Ещё в 1987 году он опубликовал работу, в которой установил связь между ночной работой женщин и развитием у них рака груди. Именно с ночными сменами, как следствием индустриализации США в 1930-е годы, он связывал рост раковых заболеваний у женщин в этот период. Недавно проведенные исследования подтвердили, что женщины, которые в течение многих лет работали в ночную смену, действительно чаще болеют раком груди, а мужчины имеют повышенный риск заболеть раком простаты. 

Следовать за Солнцем, соблюдать, а не нарушать ритмы своего организма современному человеку не всегда просто. Зато полезно.   
автор: Виктория Грегуольдо