Удивительная игра природы. Но какое отношение она имеет к человеческому сну? Самое прямое. Не так давно ученые выяснили что бабочка-монарх никогда не отыскала бы пункт назначения без исключительно развитого чувства времени. Насекомые ориентируются по положению солнца, а его можно правильно истолковать лишь в том случае, если чувство времени постоянно подсказывает им, в какой стороне света находится сейчас согревающая нас звезда. Люди, конечно, тоже обладают такими внутренними часами. Это устройство на множестве уровней помогает телу приспособиться к постоянно повторяющейся смене дня и ночи. Одно из самых заметных проявлений работы внутренних часов — тот факт, что они диктуют нам, когда спать, а когда нет.
Наука о внутренних ритмах всех живых существ называется хронобиология. Она изучает приспособленность организмов к временам года, фазам луны, приливам и отливам, а также смене дня и ночи. Началом ее стал тот день в 1729 г., когда французский астроном Жан-Жак д’Орту де Майран впервые доказал существование внутренних часов. Он поставил растение-гелиотроп (мимозу) в темную комнату и убедился, что цветок и в отсутствие солнца продолжает закрываться вечером и раскрываться утром. Естествоиспытатели долго игнорировали этот и подобные результаты, пока примерно 50 лет назад широкий международный и междисциплинарный круг исследователей не объединился для создания хронобиологии как самостоятельной области науки. Зачинщиками были немецкие физиологи Юрген Ашофф и Эрвин Бюннинг, а также американец Колин Питтендрай. Они и по сей день считаются отцами хронобиологии.
В середине 1960-х гг. под руководством Ашоффа в баварском местечке Андекс был оборудован бункер. Две комнаты без окон, часов, телефона, отгороженные от внешнего мира стенами метровой толщины и двойными звуконепроницаемыми дверями, служили особой цели: не дать находящимся там людям возможности определить время суток. В «андекском бункере» неделями жили добровольцы, согласившиеся участвовать в опыте. Вскоре стало ясно: у человека тоже есть биологические часы, он способен обходиться без будильника, солнечного восхода и утреннего запаха кофе. Предоставленные самим себе, эти часы, как правило, идут несколько замедленно, так что обитатели бункера ложились спать с промежутками в 24-26 ч. В обычной жизни главный фактор, постоянно поправляющий биологические часы и обеспечивающий их точную работу, — дневной свет.
С тех пор наука узнала очень много о природных часах. Ими обладают почти все живые существа, даже бактерии, существующие уже 3,5 млрд лет. И отмеряют эти часы не только сутки: 90-минутные циклы сна определяют наступление БС-фаз. Внутренний календарь решает, когда цвести цветам, отправляться в путь перелетным птицам и заводить потомство овцам. Часы, отмеряющие время прилива и отлива, помогают крабам вовремя укрыться от набегающих волн. Благодаря лунным часам калифорнийская рыба атерина-грунион отмеряет почти двухнедельные промежутки между самыми сильными приливами, чтобы закопать свою икру в прибрежном песке в момент наивысшего подъема воды.
Журнал «Science» целых три раза — в 1998, 2002 и 2005 гг. — отмечал хронобиологические эксперименты в списке десяти наиболее важных исследовательских достижений года. Мало какая научная область может похвастаться таким всплеском интереса, и это не удивительно: современное общество нуждается в хронобиологии. Электрический свет, дальние путешествия и работа в несколько смен уводят жизнь все дальше от гармонии с естественным суточным и годичным циклом. Люди сами лишают себя доступа к природному ритму. Специалисты по молекулярной биологии расшифровали элементы, обеспечивающие биологическое измерение времени. Хронобиологи выяснили, как функционируют внутренние часы, как они устанавливаются и сообщаются с телом. Выяснилось, что высшие организмы, в том числе человек, имеют встроенные природные часы в каждой клетке тела, что существуют биологические часы органов, мышц и обмена веществ и что все они связаны между собой в сложнейший механизм ощущения времени.
«У млекопитающих гораздо больше свойств, контролируемых биологическими часами, чем кажется на первый взгляд», — пишет американский специалист по хроногенетике Джей Данлэп. Многоклеточные организмы — это «целые часовые магазины». Природа в ходе эволюции вырабатывала независимые друг от друга часы «не один раз, но и не десятки». За последние годы стало ясно, что почти все биологические часы действуют сходным образом и что даже мышь и плодовая мушка дрозофила, чьи филогенетические ряды отстоят друг от друга на сотни миллионов лет, имеют ряд сходных генов, связанных с природными часами.
Главная деталь всех биологических часов — маятник в генах, раскачивающийся уже на уровне каждой отдельной клетки. Эти часовые гены называют «clock» или «period». Они содержат планы выработки различных белков, которые периодически подавляют собственное производство. В какой-то момент количество того или иного белка перешагивает за максимум. С этого момента его концентрация начинает снижаться, пока не будет снята блокировка со стороны соответствующего часового гена и движение маятника не начнется сначала.
Природа оснастила этот основной принцип множеством мелких деталей и осуществила с совершенным искусством. Например, ритмически активным клеткам удается непрерывно и со строгой периодичностью повышать и понижать количество своих часовых белков. Сигналы извне, например дневной свет, влияют на активность генов и тем самым переставляют часы. Концентрация часовых белков задает ритм, как это делает раскачивание механического маятника в стенных часах. Но часовые гены влияют также на считывание других генов, продукты которых в результате колеблются в том же ритме: эти белки, как биологические часовые стрелки, сообщают телу сигналы времени и помогают координации с хронометрами во внутренних органах.
«Биохимия всех клеток тела полностью подчиняется ясной суточной структуре», — уверен Тиль Рённеберг, первый в Германии профессор хронобиологии, работающий в Мюнхенском университете. Следовательно, дух и плоть не во всякое время работают с равной эффективностью: краткосрочная память лучше всего функционирует с утра, долгосрочная — вскоре после полудня. Сложные задачи лучше всего решаются незадолго до полудня. Мышечная сила, выносливость и кровообращение достигают пика ранним вечером. Однако к этим данным нужно относиться с осторожностью: с хронобиологической точки зрения все люди устроены по-разному.
«Поскольку внутренние часы управляются генами, темп их хода в основном передается по наследству. Каждый человек следует собственному индивидуальному ритму», — пишет Рённеберг. Люди, живущие ночной жизнью, ложатся спать в тот момент, когда любители рано вставать уже просыпаются для следующего дня. Естественно, моменты подъема и понижения активности приходятся у этих групп на разное время. Голландский биолог Барбара Бимане обнаружила даже, что подопытные животные всегда лучше всего помнят событие из недавнего прошлого в то время суток, когда оно впервые произошло: «С точки зрения адаптации имеет смысл использовать сегодняшний опыт как временную ориентировку на завтра», — поясняет она.
Многочисленные биологические хронометры в нашем теле управляются центральными часами в мозге, находящимися в гипоталамусе, в непосредственной близости к основной части системы регуляции сна. Там в так называемых супрахиазматических ядрах (СХЯ) залегают 20 ООО плотно прилегающих друг к другу нейронов, которые разными путями задают ритм всем органам и в то же время обеспечивают синхронность работы биологических часов со сменой дня и ночи во внешнем мире. Для этого у нас в глазах есть специальные датчики света, которые не воспринимают изображение, а только замеряют освещенность и непосредственно передают эту информацию центральным часам в мозге.