Дни
Так начался этот бесконечный день, описывать который невыносимо скучно. Ничего особенного не произошло, и в то же время ни один день в моей жизни не был настолько значим для меня. Я как будто прожил тысячу лет в непрерывной агонии. За мизерными победами следовали сокрушительные поражения. На исходе дня – если предположить, что этот день вообще когда-то заканчивался, – все, что я мог сказать о нем, это то, что я все еще жив. В силу обстоятельств у меня не было права надеяться на большее.
АДМИРАЛ РИЧАРД БЭРД. ОДИНОЧЕСТВО
Один мой друг, личность весьма незаурядная, долго раздумывал над тем, почему каждый день недели запечатлен в его сознании в характерном облике. Вскоре он заметил, что на образ воскресенья оказывает влияние городской шум и шарканье ног прохожих по асфальту; на образ понедельника – сохнущая во дворе одежда, отсвечивающая на потолке белыми пятнами, на восприятие вторника повлияла еще какая-то причина, которой я уже не помню. Думаю, что мой друг не продвинулся дальше среды.
УИЛЬЯМ ДЖЕЙМС. ПРИНЦИПЫ ПСИХОЛОГИИ
Просыпаясь среди ночи, я испытываю соблазн тут же взглянуть на часы, хотя и так знаю, который час. Я всегда пробуждаюсь в одно и то же время: в 4 часа утра или в 4:10; как-то раз в непостижимой веренице ночей мне случилось подниматься ровно в 4:27. Не глядя на часы, я в состоянии определить время по шуму радиаторной батареи у моей кровати, когда в зимнюю пору она разводит пары, или нестройному гулу проносящихся за окном машин. «Вокруг спящего человека протянута нить часов, чередой располагаются года и миры, – пишет Пруст. – Пробуждаясь, он инстинктивно сверяется с ними, мгновенно в них вычитывает, в каком месте земного шара он находится, сколько времени прошло до его пробуждения».
Сознаем мы это или нет, но каждый час мы занимаемся тем же, что и лирический герой Пруста. В психологии это называется ориентацией во времени; способность распознавать время суток, дату и год без часов и календаря служит отличительным признаком сформированности чувства времени. Попытки разобраться в механизме становления ориентации во времени породили бессчетное количество научных трудов. Опрашивая прохожих на улице в ходе одного из экспериментов, ученые задавали респондентам простой вопрос: «Какой сегодня день?» – либо обращались к ним с просьбой подтвердить или опровергнуть то или иное заявление («Сегодня вторник»). В результате статистической обработки ответов, зафиксированных в протоколе опроса, выяснилось, что участники опроса быстрее определяли текущий день недели в выходные дни или накануне уик-энда. Раздумывая над ответом, некоторые из респондентов прибегали к ретроспективному анализу: «Вчера был день Х, значит сегодня день Y», тогда как другие более склонны вести отсчет от завтрашнего дня. Выбор точки отсчета зависел от того, какие выходные оказывались ближе – будущие или прошедшие. В понедельник и во вторник большинство из нас склонно вести отчет от вчерашнего дня, но с приближением пятницы точка отсчета смещается в сторону грядущего.
Возможно, мы идентифицируем свое положение во времени посредством тех или иных временных ориентиров. Подобно острову, маячащему на горизонте сзади или впереди по курсу, выходные служат нам ориентиром в попытке определить свое местонахождение в море времен. (В данном контексте очень показательно, насколько часто мы прибегаем к пространственным понятиям, рассуждая о времени: к примеру, до начала следующего года еще «далеко», девятнадцатый век – это «глубокое прошлое», а мой день рождения «приближается», как будто речь идет о поезде, подходящем к станции.) Возможно, в мыслях мы составляем список вероятных наименований сегодняшнего дня недели, а затем вычеркиваем неподходящие варианты до тех пор, пока не остается верный ответ. («Вероятно, сегодня вторник; во всяком случае, сегодня точно не среда, потому что утром в среду я хожу в спортзал, а сейчас у меня нет с собой спортивной сумки».) Так или иначе, ни одна модель не дает исчерпывающего объяснения, каким образом в середине недели происходит сдвиг временных ориентиров, почему по мере приближения выходных наша привычка мысленно апеллировать к прошлому постепенно сходит на нет. К какой бы методике отсчета мы ни прибегли, фактически мы погружаемся в бесконечные расчеты временных координат по секундам, минутам, дням и годам. Пробуждаясь ото сна, выходя из кино, отрывая глаза от увлекательной книги, мы задаем себе один и тот же вопрос: «Где я? На каком отрезке времени я нахожусь?» Потеряв счет времени, мы не можем сразу попасть в его ритм.
Мое умение точно определять время в момент пробуждения ночью вытекает из простейших навыков индукции: когда я в последний раз проснулся среди ночи, на часах, как и в прежних случаях, было 4:27, следовательно, сейчас тоже должно быть около половины пятого. Вопрос стоит иначе: в чем истоки такого постоянства? «На протяжении всей жизни меня поражала способность просыпаться в одно и то же время с точностью до минуты из ночи в ночь, из утра в утро, хотя эта привычка, скорее всего, была счастливой случайностью», – писал Уильям Джеймс. Лично я в минуты пробуждения остро осознаю себя орудием какой-то сторонней силы, как будто во мне спрятан некий аппарат, а сам я – лишь дух, заключенный в машине.
Так или иначе, как только дух начинает мыслить, пищи для размышлений у него более чем достаточно – особенно отчетливо на этом фоне проступают мысли о том, как мало у меня времени, чтобы управиться с делами, которые не дают мне покоя, и насколько я отстаю от графика. «Ваша книга видится мне в образе проекции на мой календарь, – писал мне редактор издания. – Мне важно знать, в каком положении находятся дела». Я начал работу над проектом за несколько недель до того, как у Сьюзен родились близнецы, наши первые и единственные дети. Оглядываясь назад, могу сказать, что расписание было составлено не лучшим образом. Друзья и родственники в охотку подшучивали, что если все мои старания вписаться в график пойдут прахом, переживать не стоит: мои дети доведут дело до конца.
На самом деле миг пробуждения среди ночи, как бы остро он ни ощущался, умиротворяет в той же степени, что и внушает тревогу. Мне кажется, что переживать такие мгновения – все равно что обнаружить себя в яйце. Такая мысль осенила меня однажды вечером как раз перед отходом ко сну, я тут же записал ее в блокноте, который всегда дежурит у моей кровати. Когда впоследствии ровно в 4:27 (как я полагаю) мне пришлось лично испытать на себе это состояние, я был одновременно удивлен и восхищен точности найденной формулировки, как будто, засыпая, я проваливаюсь внутрь того самого яйца, а когда просыпаюсь, чувствую себя желтком, парящим на мягких воздушных подушках над массивом настоящего. Я знаю, что так не может продолжаться вечно. Утром часы и минуты снова вступят в свои права и иллюзия бесконечно растягиваемого времени испарится, как роса, или укроется за семью замками в недосягаемом тридевятом царстве, а я выберусь из скорлупы, раздумывая, как бы вернуться обратно. Тем и ужасно бремя современности, лелеющей мечту о бесконечном времени внутри тесной картонки с яйцами. Но все эти озарения случатся завтра, а пока у моей кровати все еще раздается тиканье часов, удивительно похожее на щелчки кухонного таймера для варки яиц или приглушенный стук сердца.
В один прекрасный день человек вошел в пещеру и провел много дней и ночей в полном одиночестве, не видя солнечного света. Рассветы и закаты проходили стороной, поэтому смена дня и ночи оставалась незамеченной; у затворника не было при себе часов – ни стационарных, ни наручных, так что вести счет часам и секундам не представлялось возможным. Чем же занимался отшельник? Писал, читал Платона и обдумывал свое будущее. Оставшись наедине со временем, он продержался довольно долго, но все же дело пошло не совсем так, как он рассчитывал.
МИГ ПРОБУЖДЕНИЯ СРЕДИ НОЧИ УМИРОТВОРЯЕТ В ТОЙ ЖЕ СТЕПЕНИ, ЧТО И ВНУШАЕТ ТРЕВОГУ. ПЕРЕЖИВАТЬ ТАКИЕ МГНОВЕНИЯ – ВСЕ РАВНО ЧТО ОБНАРУЖИТЬ СЕБЯ В ЯЙЦЕ
Таковы были итоги первого хронобиологического эксперимента Мишеля Сифра, поставленного в 1962 году. Во время исследования пещеры на юге Франции французский геолог Мишель Сифр в возрасте двадцати трех лет открыл подземный ледник Скарассон. Мир был охвачен холодной войной и космической гонкой; активно муссировались темы противорадиационных укрытий и космических капсул. Сифра, как и многих ученых, интересовала проблема адаптации человека к условиям депривации солнечного света и общественной изоляции. Изначально он намеревался провести в недрах две недели, занимаясь исследовательской работой, но вскоре решил задержаться там на два месяца, изучая то, что он позже назовет «идеей жизни». А тогда Сифр просто поведал журналу Cabinet, что собирается некоторое время пожить в пещере «жизнью животного», «в полной темноте, вне хода времени».
Ученый поставил в пещере палатку и походную кровать со спальником и приступил к делу: спал, пробуждался и принимал пищу по желанию, между делом вел дневник, в котором описывал свои занятия. Лампа, которая позволяла ему читать, исследовать ледник и передвигаться в темноте, получала электропитание от маломощного генератора. Сифр постоянно мерз, его обувь никогда не просыхала, а единственным средством связи с земной поверхностью служил телефон, с которого он регулярно звонил коллегам наверху, отчитываясь о своих успехах и частоте пульса. Помощникам Сифра были даны строгие указания не давать ученому никаких сведений о текущей дате и времени суток.
Сифр вошел в пещеру 16 июля, планируя оставаться в подземелье до 14 сентября. Когда на его пещерном календаре было 20 августа, коллеги объявили, что срок эксперимента подошел к концу; время вышло. По субъективным ощущениям ученого, со дня начала эксперимента прошло только тридцать пять дней – тридцать пять циклов сна, бодрствования и бессмысленных телодвижений, хотя часы твердили, что миновало шестьдесят дней. Так быстро пролетело время.
Волею случая Сифр сделал несколько важных открытий в биологии человека. К тому времени науке уже были известны циркадные ритмы растений и животных, в основе которых лежит природная способность следовать суточному циклу продолжительностью примерно двадцать четыре часа. (Название термина происходит от латинского выражения circa diem, что значит «около суток».) В 1729 году французский астроном Жан-Жак д’Орту де Меран заметил, что растение гелиотроп, листья которого разворачиваются на рассвете и сворачиваются в сумерки, ведет себя аналогичным образом даже в затемненном помещении, как будто способность различать день и ночь укоренена в его природе. Манящие крабы в целях маскировки, независимо от наличия или отсутствия дневного света, меняют окраску по фиксированному суточному графику – от серого к черному и наоборот. Плодовые мушки выходят из куколочных камер строго на рассвете, когда относительная влажность воздуха достигает пиковых значений. Это адаптивное свойство препятствует пересыханию крыльев молодых насекомых. При этом внутренний циркадный цикл не всегда точно совпадает с суточным циклом чередований света и темноты; у некоторых организмов циркадный цикл чуть длиннее суток, у других, напротив, время бежит быстрее. Гелиотроп, находившийся в темной комнате слишком долго, в конечном итоге выпадает из естественного суточного ритма, что роднит его с моими наручными часами, которые не улавливают сигналов точного времени по радио и со спутников, и поэтому их требуется ежедневно настраивать заново.
В 1950-х годах стало известно о существовании внутренних циркадных часов и у человека. В 1963 году Юрген Ашофф, возглавлявший отдел по изучению биоритмов и циклов поведения в научном учреждении, которое тогда называлось Институтом физиологии поведения имени Макса Планка, оборудовал опытную площадку на базе светонепроницаемого бункера. Участники экспериментов проводили в нем по нескольку недель, пока ученый наблюдал динамику физиологических процессов в условиях депривации. Иметь при себе механические часы не допускалось. Эксперимент Сифра в пещере Скарассон послужил одним из первых доказательств того, что циркадный ритм человека не равен в точности двадцати четырем часам. Продолжительность периода бодрствования у Сифра варьировала изо дня в день, начиная с шестичасового минимума и заканчивая сорокачасовым максимумом при среднем значении двадцать четыре часа и тридцать минут. Вскоре из-за расхождения суточных ритмов циклы сна и бодрствования у Сифра перестали совпадать со сменой дня и ночи на поверхности Земли. Ощутив себя в роли животного, предоставленного самому себе и своим собственным представлениям о жизни, он поразился до глубины души. Спустившись в земные недра с намерением изучить влияние крайней изоляции на состояние человеческой психики, Сифр непреднамеренно стал отцом новой науки – хронобиологии человека, чувствуя себя при этом «полусумасшедшей куклой-марионеткой, разболтанной во всех суставах».
Из всех существительных американского английского слово «время» употребляется наиболее часто. Но попробуйте спросить кого-то из ученых, специализирующихся на времени, что представляет собой предмет их изучения, и в ответ неизменно последует встречный вопрос: «Что вы имеете в виду, когда говорите о времени?»
Перед тем как беседовать с учеными, вы уже кое-что разузнали. Возможно, вы, как и я, поначалу попытаетесь уточнить, что речь идет о «восприятии времени» и разнице между объективным временем и вашим субъективным ощущением времени. Дихотомия понятий времени предполагает иерархическое ранжирование по критерию истинности. Первоочередное значение имеет время, которое показывают приборы – наручные или настенные часы, так как именно оно, как правило, воспринимается как истинное или фактическое. Далее следует субъективное восприятие времени – оно может более или менее точно равняться на объективное время либо вовсе не полагаться на показания механических часов. Я пришел к выводу, что дихотомия между объективным и субъективным временем если не бессмысленна, то по меньшей мере бесполезна: оставаясь в ее рамках, трудно понять, где зарождается время и куда оно движется с общечеловеческой точки зрения.
Впрочем, я забегаю вперед. Сама возможность восприятия времени активно обсуждается в научной литературе с незапамятных времен; это один из древнейших камней преткновения. Психологи и нейробиологи большей частью сходятся на том, что непосредственное восприятие времени невозможно. Все пять чувств – вкус, осязание, обоняние, зрение и слух – поддерживаются конкретными органами, реагирующими на конкретные физические явления. Слух подразумевает движения барабанной перепонки внутреннего уха, вызванные колебаниями молекул воздуха; зрение – результат раздражения фотонами специализированных нервных клеток глазного дна. В человеческом организме нет ни единого органа, который отвечал бы за чувство времени. Подобно собакам, крысам и большей части лабораторных животных, среднестатистический человек в состоянии ощутить разницу между звуками разной длительности: к примеру, три секунды и пять секунд. В то же время ученые до сих пор ломают копья, пытаясь выяснить, каким образом животному мозгу удается так точно отслеживать ход времени.
Подбирая ключ к разгадке тайны физиологических проявлений времени, следует четко уяснить, что, когда мы говорим о времени, мы обращаемся к разным граням человеческого опыта, которые никак не соприкасаются друг с другом:
Период осуществления – определяемое количество времени, прошедшее между двумя конкретными событиями, или точно установленные сроки наступления того или иного события в будущем.
Последовательность во времени – различимый порядок осуществления событий.
Грамматическое время – различение категорий прошедшего, настоящего и будущего наряду с пониманием того, что завтра и вчера лежат по разные стороны временного отрезка.
Чувство настоящего момента – субъективное переживание течения времени в текущий момент, принимающее произвольные формы.
Достаточно заметить, что споры о сущности времени порою вводят в замешательство, так как при этом мы используем одно и то же слово для описания множественных пластов психологического опыта. С точки зрения знатока наук, за словом «время» стоит такое же общее родовое понятие, как и за словом «вино». Различные грани опыта переживания времени, такие как период осуществления, последовательность, синхронность, грамматические временные категории и т. д., восходят к фундаментальным слоям нашей психики, поэтому мы воспринимаем их как природную данность, не удосуживаясь отличать одно от другого. Но такое положение дел существует только для зрелого сознания. С точки зрения возрастной психологии понимание времени приходит к нам постепенно. Одно из озарений случается в первые месяцы жизни, когда мы учимся различать «сейчас» и «не-сейчас», хотя первые ростки осознания проклевываются намного раньше, в период внутриутробного развития. Дети четко уясняют разницу между прошедшим и будущим только с четырех лет. С возрастом приходит более глубокое понимание временного промежутка и односторонней направленности движения времени. Наше понимание времени едва ли свойственно нам изначально, как предполагал Кант. Время не просто пробирается в нас – на окончательное завершение процесса уходят годы.
* * *
Мы постоянно думаем о времени: оцениваем его протяженность, рассматриваем вчера и завтра, отделяем прошлое от будущего. Мы живем во времени, предвкушая те или иные события, углубляясь в воспоминания и отмечая его течение. В общем и целом речь идет о сознательном переживании времени, которое, по всей видимости, присуще только нашему виду. Но в основе всех процессов жизнедеятельности, не требующих осмысления, лежит все тот же циркадный ритм – время дней, которым пронизано существование всех форм жизни, когда-либо встречавшихся на нашей планете на протяжении последних четырех миллиардов лет. Для чисто биологического феномена он вызывающе механистичен и предсказуем, а за два последних десятилетия наука далеко продвинулась в деле постижения его генетических и биохимических основ. Среди множества внутренних часов нашего организма циркадные часы, пожалуй, изучены наиболее полно. Если уподобить научное исследование человеческого времени путешествию, то в начале пути, приступив к изучению циркадных ритмов, вы будете твердо ощущать почву под ногами и дорога к знанию будет ярко освещена полуденным солнцем, но потом ровная дорога заведет вас в болото, а вокруг сгустятся сумерки.
ПЕРЕВЕСТИ ЭНДОГЕННЫЕ ЦИРКАДНЫЕ ЧАСЫ С АВТОМАТИКИ В РЕЖИМ РУЧНОГО УПРАВЛЕНИЯ НЕ ТАК ПРОСТО, КАК КАЖЕТСЯ, ИНАЧЕ ИХ ВООБЩЕ НЕ ПРИНИМАЛИ БЫ В РАСЧЕТ
Циркадный ритм обычно ассоциируется с единичным циклом сна и бодрствования, но эта аналогия не дает адекватного представления о феномене: хотя циркадные часы оказывают некоторое влияние на режим сна, последний остается подвластен контролю сознания. Человек волен выбирать, быть ему ранней пташкой или совой, которая дремлет весь день и бодрствует ночью, а то и вовсе на несколько суток забыть о сне. Однако перевести эндогенные циркадные часы с автоматики в режим ручного управления не так просто, как кажется, иначе их вообще не принимали бы в расчет.
Наблюдение за суточными колебаниями температуры тела дает более адекватное представление о циркадных ритмах организма. По крайней мере, человеческого – так точно. Мы часто слышим утверждение, что средняя температура тела здорового человека равна 98,6 °F, или 37 °C (в действительности 98,4 °F, или 36,9 °C), но это не более чем усредненные данные. Диапазон колебаний температуры тела в течение суток составляет около двух градусов: пиковые значения регистрируются в районе полудня, после чего температура тела начинает снижаться, достигая минимума в предрассветные часы, незадолго до пробуждения. Существуют индивидуальные различия в амплитуде колебаний температуры тела и продолжительности температурного пика, к тому же болезненное состояние и физические упражнения тоже могут добавить жару. Тем не менее нам некуда деваться от внутреннего часового механизма, управляющего ежедневными подъемами и спадами температуры тела.
Другие функции организма также строго повинуются циркадным ритмам. Разброс частоты сердечных сокращений в состоянии покоя у одного и того же человека варьирует в пределах двадцати четырех ударов в минуту в зависимости от времени суток. Продолжительность цикла колебаний кровяного давления приближается к суткам. Самые низкие показатели отмечаются между двумя и четырьмя часами утра, днем давление начинает повышаться и примерно в полдень достигает максимума. Выделение мочи в ночное время сокращается не только потому, что мы потребляем меньше жидкости, но и за счет гормонов, стимулирующих процессы реабсорбции воды в почках. К слову, активность эндокринных желез также подчинена циркадным ритмам. Очень удобно планировать дела, сверяясь с циркадными часами. В середине дня отмечается лучшая координация движений и минимальное время реакции; сердце и мышцы работают с максимальной отдачей с пяти до шести часов вечера, а способность переносить боль достигает пика ранним утром – это идеальное время для визитов к стоматологу. Расщепление алкоголя замедляется от десяти часов вечера до восьми часов утра. В вечернее время одна и та же порция спиртного задерживается в организме намного дольше, чем в утренние часы, так что вечером вы опьянеете сильнее, чем утром. От полуночи до четырех часов утра наблюдается активное деление клеток кожи, а волосяной покров на мужском лице в течение дня отрастает быстрее, чем ночью. Мужчина, который бреется вечером, едва ли обнаружит на своем лице щетину, проснувшись в пять часов утра.
Циркадные ритмы оказывают сильнейшее влияние на здоровье человека. Большая часть инсультов и сердечных приступов случается в поздние утренние часы, когда происходит быстрый подъем кровяного давления. Эффективность лекарственных препаратов также существенно меняется в зависимости от времени приема в силу естественных колебаний уровня гормонов на протяжении суток, которые все чаще принимают во внимание врачи и администрации больниц. То же самое справедливо и в отношении животных всех видов. В ходе одного неудачного эксперимента потенциально летальная доза адреналина в одном случае убила всего шесть процентов лабораторных крыс, тогда как во втором случае погибло семьдесят восемь процентов животных исключительно за счет времени, выбранного для введения препарата. Некоторые инсектициды обнаруживают максимальную поражающую силу в отношении целевых видов в полдень. Циркадные ритмы также отображаются на настроении и интеллектуальной продуктивности. Во время одного исследования респондентам давали задание вычеркнуть все найденные в текстах журнальных публикаций буквы «е» в течение получаса. Наихудшие результаты были получены в восемь часов утра, наилучшие – в полдевятого вечера.
Концентрация внимания также подчинена циркадным ритмам, причем периоды максимальной и минимальной концентрации внимания совпадают с периодами максимальной и минимальной температуры тела. Период минимальной концентрации внимания, который математик Стивен Строгац называл зоной зомби, у большинства людей приходится на предрассветные часы, из чего следует, что производительность труда в ночную смену на порядок ниже, чем может показаться самим работникам. По данным исследований, самая медленная реакция на телефонные звонки и сигналы уведомления у рабочих ночных смен отмечалась между тремя и пятью часами утра; одновременно возрастает вероятность неверного снятия отсчета. В это время произошли крупнейшие техногенные катастрофы, спровоцированные влиянием человеческого фактора: аварии на АЭС в Чернобыле и Три-Майл-Айленд, Бхопальская катастрофа и выброс нефти с танкера «Эксон Вальдез». Нашему виду свойственно удивительное стремление развлекать внутреннего зомби, но заигрывание с ним может вызвать плачевные последствия, которых в свете последних научных данных обнаруживается все больше и больше.
Тиканье часов отсчитывает время, причем задавать такт может все что угодно, при условии достаточной надежности и постоянства хода: колебания атомов, движение маятника с грузом, вращение планет вокруг своей оси или вокруг Солнца. Тикает даже обыкновенная груда угля. Уголь состоит из атомов, в ядре каждого атома углерода-12 обыкновенно содержится шесть протонов и шесть нейтронов, хотя с вероятностью один на триллион вам может встретиться изотоп углерода-14, у которого на шесть протонов приходится восемь нейтронов. Соотношение количества атомов углерода-14 к количеству атомов углерода-12 в живой материи относительно стабильно, но спустя некоторое время после прекращения процессов жизнедеятельности данный показатель начинает снижаться, так как изотопы углерода-14 в результате ядерного распада постепенно превращаются в атомы азота. В среднем период полураспада радиоуглерода составляет около 5700 лет. Таким образом, зная скорость радиоактивного распада углерода-14 и изначальное отношение числа изотопов углерода-14 к числу атомов углерода-12, содержащихся в груде угля, нетрудно рассчитать возраст угля в тысячах лет. Уголь, как и прочие ископаемые органического происхождения, служит счетчиком геологических эпох.
Способность часов, в роли которых может выступать планета, маятник, атом или горные породы, отсчитывать такты не сходит с повестки дня долгое время и порождает множество философских споров. Солнечные часы ведут учет времени, ориентируясь по положению тени относительно циферблата, на который нанесены числовые символы, обозначающие часы. Действительно ли солнечные часы отсчитывают время или это делаете вы, глядя на часы? Существует ли время независимо от сознания, отсчитывающего ход часов? «Будет ли в отсутствие души существовать время или нет? – рассуждал Аристотель. – Ведь если не может существовать считающее, не может быть и считаемого». Попробуйте решить задачку, отчасти напоминающую небезызвестный коан о падающем дереве в лесу: может ли куча угля считаться часами, если поблизости нет ни одного ученого, который мог бы замерить отношение количества содержащихся в ней атомов углерода-14 к количеству атомов углерода-12? Блаженный Августин был твердо убежден, что время коренится в попытках его измерить и, как следствие, выступает феноменом человеческого сознания. Отголоски идей Августина звучат в размышлениях покойного физика Ричарда Фейнмана, заметившего, что определение, данное феномену времени в толковых словарях, движется по замкнутому кругу, описывая время как период, который характеризуется продолжительностью во времени. «В действительности важно не определение, а измерение времени», – уточняет Фейнман.
Внутри биологических часов тикают как составляющие клетки – гены и протеины, так и постоянный диалог между ними. В каждой живой клетке содержится ДНК в виде плотно упакованных последовательностей генетического материала. У эукариотов, самой многочисленной группы живых организмов, в которую входят все виды животных и растений, ДНК располагается внутри клеточного ядра, окруженного мембраной. Каждая ДНК-последовательность (у человека их двадцать три) образует двойную спираль из двух цепочек, соединенных между собой по центру наподобие застежки-молнии. Каждая из цепочек состоит из нуклеотидов, которые входят в состав генов различной продолжительности. Структура ДНК необыкновенно динамична: спираль периодически разъединяется, обеспечивая возможность экспозиции генов. С рабочего гена снимается копия, которая впоследствии выходит из ядра в цитоплазму клетки, где происходит синтез белков различных видов в соответствии с кодом исходной матричной ДНК. Представьте себе поглощенного работой архитектора на необитаемом острове, пересылающего заказчику на континент чертежи, по которым выпускают разнообразную робототехнику, и вы поймете, что это такое.
Большая часть генов кодирует структуру белков, выполняющих определенные функции внутри самой клетки. Белки входят в состав молекул, катализируют метаболические реакции и обеспечивают репарацию внутренних дефектов. Два гена, ответственных за работу циркадных часов, кардинально отличаются от структурных генов – они кодируют структуру двух видов белков, которые накапливаются в цитоплазме и в конечном итоге возвращаются обратно в ядро, где соединяются с активаторами исходных генов, препятствуя их экспрессии. Вкратце говоря, клеточные часы состоят из намного большего числа компонентов, чем пара генов, обладающих способностью самопроизвольно прекращать экспрессию при содействии различных медиаторов. Архитектор, о котором мы говорили, не просто посылает чертежи – послания, запечатанные в бутылки, адресованы будущему. Когда в море наберется достаточное количество бутылок, послание достигнет адресата и скомандует: «Пора вздремнуть».
Когда архитектор спит, гены внутренних часов стоят, синтез белка прекращается. Белковые молекулы, синтезированные ранее, растворяются в цитоплазме. Больше они не просочатся в ядро, и гены, которые ранее были блокированы, возобновят экспрессию и продолжат издавать приказы о синтезе белков. Процесс носит циклический характер – именно этого и добивался естественный отбор. При этом примечательно не то, что производится в течение цикла (вся продукция носит умозрительный характер – ничего вещественного), а сроки его реализации: прохождение полного цикла, которое запускается в момент первой активации генетических часов, затем останавливается и запускается снова, занимает в среднем двадцать четыре часа. В результате продуктом цикла становится не молекула, а определенный промежуток времени. В сердечной ткани эндогенные часы генерируют ритм в результате неспешной беседы ДНК клетки и протеин-синтезирующих структур, которая тянется около двадцати четырех часов. Внутренние часы тикают в такт своему ритму, даже если их хозяин, будь то человек, мышь, дрозофила или цветок, сутками удерживается в темноте. В силу того, что цикл генетических часов не в полной мере совпадает с суточным циклом, расхождение циркадных ритмов с астрономическим временем будет усиливаться с каждым днем. И напротив, регулярное пребывание на солнце обнуляет эндогенные часы и производит регулировку по астрономическому времени. В диалоге ДНК клетки и протеин-синтезирующих структур солнечный свет играет роль круглосуточного модератора – не вмешиваясь в разговор ежесекундно, он направляет беседу в нужное русло.
ВНУТРЕННИЕ ЧАСЫ ТИКАЮТ В ТАКТ СВОЕМУ РИТМУ, ДАЖЕ ЕСЛИ ИХ ХОЗЯИН, БУДЬ ТО ЧЕЛОВЕК, МЫШЬ, ДРОЗОФИЛА ИЛИ ЦВЕТОК, СУТКАМИ УДЕРЖИВАЕТСЯ В ТЕМНОТЕ
Современная наука почерпнула большую часть сведений о циркадных часах из трудов по зоологии. В 1950-х годах Сеймур Бензер и Рональд Конопка произвели серию экспериментов с дрозофилами, ставших классикой биологической науки: опытным путем было установлено, что у плодовых мушек наблюдаются четкие околосуточные периоды активности. Более того, у некоторых лабораторных линий дрозофил продолжительность суточного цикла не равнялась строго двадцати четырем часам. Иногда расхождения были незначительными, иногда – довольно существенными. В результате скрещивания линий и последующей подстройки генетических параметров под единый стандарт биологи выявили гены, отвечающие за циркадные ритмы, и разработали базовую модель внутренних часов. Два гена, получившие названия per и tim (от англ. period – «период» и timeless – «безвременный»), кодируют структуры двух белков, соответственно названных PER и TIM. Далее два вида белков объединяются в одну молекулу; когда в цитоплазме набирается критическая масса данных молекул, они начинают поступать в ядро, подавляя экспрессию генов per и tim.
В ходе последующих исследований сходный механизм регуляции циркадных ритмов, в котором задействованы аналогичные структуры, был обнаружен у мышей, хотя следует отметить, что биологические часы мышей отличает большее количество аллельных вариантов ключевых генов и, как следствие, более широкий диапазон белковых продуктов. Те же генетические структуры выявляются и в клетках человека. Таким образом, эндогенные часы у всех животных, начиная с муравьев и пчел и заканчивая северными оленями и носорогами, устроены примерно одинаково. У растений свой внутренний часовой механизм, обеспечивающий своевременную продукцию репеллентов накануне утренних атак насекомых. Растения, у которых биологические часы функционируют без перебоев, меньше страдают от вредителей. Дженет Браам, цитолог Райсовского университета в Хьюстоне, США, с коллегами выяснили, что внутренние часы капусты, голубики и других садовых и огородных культур продолжают тикать даже после уборки урожая. Но под круглосуточным освещением овощной лавки или в постоянной темноте рефрижератора циркадные ритмы растений начинают расстраиваться, что проявляется нарушением циклических процессов выработки основных защитных веществ. Как следствие, растительная продукция утрачивает способность сопротивляться инфекциям, теряет вкус и питательную ценность. Потому-то наши овощи и влачат столь жалкое овощное существование.
Циркадному ритму подчиняется даже невзрачный с виду, но зато хорошо известный в научном сообществе плесневый грибок Neurospora, поражающий хлебобулочные изделия. Некоторые аспекты функционирования биологических часов, общие для растений и животных, тесно срослись с жизненным циклом клетки – это впечатляет до глубины души. У некоторых биологов закрадываются подозрения, что у всех живых существ установлены разные версии одних и тех же часов, заведенных семьсот миллионов лет назад, когда на Земле появились первые многоклеточные формы жизни. Рассуждения ученых служат мне утешением, когда я опять просыпаюсь в 4:27, остро сознавая смертность своего «я». Вероятно, я представитель единственного вида животных, которому свойственно осознавать неотвратимость конца. Траву, ожидающую солнечных лучей, совершенно не тревожит перспектива свести знакомство с газонокосилкой. Мое пробуждение подчинено тем же законам, что и пробуждение пчел, цветов заморского дерева, поставляющего кофе для моей кофеварки, и даже плесени, поразившей забытую на кухонной столешнице буханку хлеба. Все то же наследие природы продолжает тикать внутри нас, оповещая о ходе времени. А вести счет часам вправе тот, кто в состоянии это сделать.
* * *
Когда мы хотим узнать, который час, мы сверяемся с часами, поставленными на прикроватной тумбочке, бросаем взгляд на наручные часы или досаждаем друг другу одним и тем же вопросом: «Не подскажете ли, который час?»
Все это работает ровно до тех пор, пока не обнаруживается серьезное расхождение между показаниями двух часов. Которым из них верить? В таких случаях нам требуются еще одни часы на роль посредника: к примеру, башенные часы на городской площади, табельные часы у бригадира, настенные часы в кабинете директора школы, по которым дают звонок, возвещающий о конце школьного дня. Во избежание опозданий все мы должны достичь компромисса в отношении стандартов исчисления времени. Нам необходимо существовать в едином ритме времени. Собственно, сама жизнь складывается из бесконечных попыток адаптации к чужому времени.
То же справедливо и для клеток. В 1970-х годах стало ясно, что главный генератор циркадных ритмов у млекопитающих локализуется в одной из структур головного мозга, которая называется супрахиазматическим ядром и представляет собой парное скопление порядка двадцати тысяч специализированных нейронов в области гипоталамуса, расположенного у основания головного мозга. Функции нейронов супрахиазматического ядра синхронизированы друг с другом и с циркадными ритмами. Название супрахиазматического ядра отображает особенности локализации: оно располагается прямо над зрительной хиазмой – перекрестом зрительных нервов правого и левого глаза (такое расположение исключительно удобно для сбора информации о внешнем мире) – и отвечает за регулирование суточных колебаний температуры тела, кровяного давления, скорости деления клеток и других проявлений жизнедеятельности. В регуляции функций супрахиазматического ядра принимает участие солнечный свет, но в то же время оно способно функционировать автономно. В темноте пещеры или под немеркнущим светом период активности супрахиазматического ядра в среднем составляет 24,2 часа. У отдельных индивидуумов показатели отклоняются как в сторону уменьшения, так и в сторону увеличения продолжительности цикла, но в целом циклы супрахиазматического ядра более или менее совпадают с суточным циклом смены дня и ночи. В случае удаления супрахиазматического ядра у лабораторного грызуна или обезьяны саймири животное утрачивает циркадные ритмы. Колебания температуры тела, продукции гормонов и физической активности у прооперированных животных не подчиняются суточным закономерностям и не согласуются друг с другом за неимением генератора общего ритма. У хомяков, перенесших удаление супрахиазматического ядра, развиваются бессонница и сахарный диабет, они теряют навыки ориентации в пространстве и их движения становятся разрозненными. После пересадки клеток супрахиазматического ядра циркадные ритмы у подопытных животных восстанавливаются, однако при этом воспроизводится цикл активности донора.
ВНУТРИ НАС ТИКАЮТ ТРИЛЛИОНЫ МОЛЕКУЛЯРНЫХ ЧАСОВ. ВСЕ ЭТИ ЧАСЫ ПОТЕНЦИАЛЬНО СПОСОБНЫ ФУНКЦИОНИРОВАТЬ В АВТОНОМНОМ РЕЖИМЕ, ПОДЧИНЯЯСЬ СОБСТВЕННОМУ РИТМУ
Вместе с тем скопления нейронов супрахиазматического ядра далеко не единственные эндогенные часы, которыми мы располагаем. За прошедшие десять лет было установлено, что почти у каждой клетки человеческого организма есть свои собственные внутренние часы. Мышечные и жировые клетки, клетки поджелудочной железы, печени, легких, сердца и других внутренних органов живут в собственном циркадном ритме. В ходе изучения историй болезни двадцати пяти пациентов, перенесших пересадку почки, выяснилось, что у семи человек пересаженная почка отказывалась подчиняться циркадным ритмам реципиента, следуя тому же экскреторному циклу, что и в организме донора. У остальных восемнадцати пациентов пересаженные почки приспособились к биоритмам новых владельцев, но адаптация осуществлялась от противного: максимальная активность пересаженной почки приходилась на время минимальной активности «родной» почки и наоборот. Даже гены, которые принимают участие в биосинтезе белка, поддерживают клетку в функциональном состоянии, управляют нашей внутренней энергосистемой и в конечном счете определяют нашу сущность, придерживаются циркадного графика. До минувшего десятилетия считалось, что циркадным колебаниям экспрессивной активности подвержен лишь мизерный процент генома млекопитающих, но в настоящее время циркадная периодичность экспрессии признана фундаментальным свойством всех генов. Наш организм переполнен часами – внутри нас тикают триллионы молекулярных часов.
Все эти часы потенциально способны функционировать в автономном режиме, подчиняясь собственному ритму. Период молекулярного цикла автономной изолированной клетки примерно равен суткам. Более того, в некоторых случаях колебания молекулярных циклов разных клеток точно совпадают по всем фазам. Изучив тысячи генов клеток сердца и печени мышей, ученые обнаружили, что экспрессии генов свойственна циркадная цикличность с некоторыми индивидуальными различиями в продолжительности циклов. Представьте себе оркестр: струнная группа – скрипки, виолы, виолончели и контрабасы – развивает сложную многоуровневую тему, медные и деревянные духовые играют контрапункт, а с задних рядов доносится грохот ударных, среди которых отчетливо выделяются эпизодические партии гонга. В отсутствие дирижера слаженная игра музыкантов превратится в бессмысленный шум. У многих видов позвоночных, включая человека, циркадными циклами дирижирует супрахиазматическое ядро, которое генерирует первичный ритм и передает сигналы настройки молекулярным часам на периферии при помощи гормонов и нейромедиаторов, добиваясь строгого согласования ритмов. Какие бы задачи ни возлагались на биологические часы, они должны обмениваться показаниями с близлежащими аналогами или хотя бы воспринимать сигналы других часов. В наших внутренних часах, вовлеченных в бесконечный разговор с себе подобными, постоянно звучит если не концерт, то история, рассказанная интерактивным способом. Человеческий организм не просто несет в себе множество часов – сумма внутренних органов и систем сама по себе является часами.
Однако и эти часы, охватившие весь организм, несовершенны, во всяком случае сами по себе. Синхронизация биологических часов с 24-часовым циклом чередования дня и ночи предполагает периодическое обнуление счета и последующий ввод данных извне – в идеале это должно происходить каждые сутки.
Главной подсказкой для внутренних часов служит солнечный свет. У человека, как и у большинства млекопитающих, энергия света поступает в мозг через глаза. Назначив дирижером нашего внутреннего оркестра супрахиазматическое ядро, мы используем глаза в качестве метрономов, трансформирующих физические сигналы времени в форматы, воспринимаемые нашей физиологией. Связь зрительного аппарата с супрахиазматическим ядром осуществляется посредством ретино-гипоталамического тракта, который представляет собой нервный проводящий путь, берущий начало на глазном дне. Импульсы, генерируемые при раздражении рецепторов светочувствительных клеток глазного дна дневным светом, поступают к дирижеру по двум отдельным каналам, побуждая разыграть симфонию сначала.
Данный процесс, именуемый захватом ритма, выполняет важнейшую задачу синхронизации ритмов множества внутренних часов, обеспечивающую функционирование организма как единого целого. При этом само супрахиазматическое ядро не поддается произвольной перезагрузке путем изменений режима освещения. За долгие годы исследовательской работы ученым удалось узнать, какие диапазоны видимого излучения наиболее благоприятны, в какие часы и как долго должно длиться воздействие для получения желаемого результата. В лабораториях по изучению сна, оборудованных специальными осветительными приборами, людям помогают переключиться на иные суточные ритмы, которые могут длиться двадцать шесть или двадцать восемь часов, либо пробуждаться в полночь и засыпать в полдень. Однако, будучи предоставленными самим себе, мы подстраиваемся под суточный ритм, задаваемый безостановочным вращением Земли. Часы на моем сотовом телефоне сверяются с мировым временем, посылая радиосигналы кружащему вокруг планеты спутнику, на котором установлены сверхточные часы. Для синхронизации мозга с ритмами Вселенной мне достаточно только широко раскрыть глаза навстречу новому дню.
* * *
Однажды некая клетка забрела в пещеру и провела там множество дней и ночей. Когда-то этой клеткой был я, когда-то ею были вы, а девять месяцев назад это был кто-то из моих сыновей-двойняшек – Лео или Джошуа.
Рождаемся ли мы во времени или время зарождается в нас? Разумеется, ответ на вопрос зависит от того, что понимать под временем, хотя на самом деле не менее важно разобраться, что значит «мы» и что подразумевается под рождением. Предположим, что жизнь началась с одной-единственной клетки – полупроницаемой живой фабрики биохимических реакций и взаимодействий, генерирующей энергетические каскады, ионный обмен, цепи обратной связи и регулярные циклы экспрессии генов. Итоговые результаты ее бурной деятельности находят выражение в низкоамплитудных колебаниях электрического потенциала клеточной мембраны, фиксируемых за определенный промежуток времени. Одна клетка превращается в две, в результате многократного деления получаются тысячи новых клеток, из которых впоследствии формируется легко опознаваемый эмбрион. Супрахиазматическое ядро закладывается примерно между сороковыми и шестидесятыми сутками после оплодотворения, причем клетки возникают в одной части формирующегося мозга, а затем на шестнадцатой неделе, в середине беременности, мигрируют в область гипоталамуса. Эмбриональное развитие бабуина и человека имеет некоторое сходство. У первых автономная циркадная осцилляция клеток супрахиазматического ядра обнаруживается уже под конец беременности: в метаболической активности нейронов наблюдаются циклические спады и подъемы, а продолжительность цикла колебаний приблизительно равна двадцати четырем часам. Откуда мог появиться ритм, близкий к суточному, при полном отсутствии света? И тем не менее в метаболизме клеток четко прослеживается циркадная периодичность.
Человеческий плод обнаруживает первые признаки упорядоченного циркадного ритма раньше, чем плод бабуина, – на двадцатой неделе беременности, примерно месяц спустя после того, как клетки супрахиазматического ядра заняли причитающееся им место. Частота дыхания и сердечных сокращений наряду с интенсивностью выработки некоторых стероидных гормонов нервной системы создает циклические колебания с периодом в двадцать четыре часа. Тем не менее плод при этом не остается наедине со своими внутренними часами по примеру одного французского спелеолога, пережившего опыт автономного существования. Циркадные ритмы плода согласованы с естественным режимом чередования дня и ночи, несмотря на то что он находится в полной темноте, а ретино-гипоталамическому тракту, проводящему сигналы фоторецепторов к супрахиазматическому ядру, еще только предстоит сформироваться. Каким же образом плод узнает, что наступил день?
Разгадка тайны проста: от матери. Среди множества питательных и биологически активных компонентов, текущих сквозь плаценту, присутствуют два нейроактивных вещества – нейромедиатор дофамин и гормон мелатонин, которым принадлежит ведущая роль в синхронизации хронометра плода с объективным временем суток. У клеток супрахиазматического ядра рецепторы к обоим нейроактивным веществам появляются уже на ранних этапах формирования данной структуры в ходе эмбрионального развития. Когда мне случается лежать без сна, всматриваясь в ночную тьму, мне приятно думать, что внутриутробная жизнь зародыша выглядела примерно так же, только намного лучше. Безмятежную тишину не нарушит тиканье часов, и беспокойные вспышки мыслей, вдохновленных ходом времени, не потревожат космическое спокойствие плода, неторопливо плывущего в пространстве вне времени под покровом собственной невинности. Разумеется, это всего лишь мои фантазии. В действительности эмбрион постоянно омывается океаном точного времени, по капле перетекающего в новую жизнь. Плод живет и процветает за счет времени, заимствованного у матери.
Так для чего же может понадобиться плоду запаздывающее знание времени суток? Ученые предполагают, что таким образом новорожденный, вероятно, получит какие-то преимущества в плане выживания в первые дни после рождения. Млекопитающие, живущие в норах, к примеру кроты, мыши и суслики, зачастую вовсе не выходят на свет на протяжении нескольких дней, а то и недель после рождения. Если бы новорожденным детенышам требовалось дополнительное время на адаптацию к суточному ритму после того, как они наконец-то выползут на поверхность земли, зверьки оказались бы легкой добычей для хищников. Возможно, опыт внутриутробного переживания циркадных ритмов каким-то образом запускает внутренний механизм отсчета времени не только у подземных животных, но и у людей, готовя новорожденных к жизни в ярко освещенном мире.
Кроме того, биологические часы имеют принципиальное значение для упорядочивания деятельности внутренней среды организма. Животное уже в период эмбрионального развития представляет собой систему миниатюрных часовых механизмов, отсчитывающих циркадный такт, – миллиарды миллиардов биологических часов, обосновавшихся в клетках, генах и зачатках внутренних органов, трудятся почти двадцать четыре часа в сутки. Каждый механизм выполняет предписанные ему задачи, и без центрального тактового генератора, который вначале обретается в материнской утробе, а затем перемещается в супрахиазматическое ядро, все эти разнообразные механизмы не получат должного развития и не смогут работать в согласии друг с другом. Если желудок потребует пищи в первом часу, а пищеварительные ферменты подоспеют только час спустя, пища не усвоится. Внутренние часы матери упорядочивают функции основных физиологических механизмов, поддерживающих жизнедеятельность плода, или, как выразился автор одной журнальной статьи, «устанавливают внутренний временной порядок», пока биологические часы самой особи еще не сформировались. Кроме того, единый ритм существования способствует интеграции физиологии эмбриона в процессы жизнедеятельности материнского организма, подчиняя питание, пищеварение и обменные реакции двух разных индивидуумов общему графику. В конце концов, до самого рождения плод остается частью матери в буквальном смысле слова и представляет собой всего лишь еще одни периферийные часы, которые необходимо контролировать и время от времени заводить.
ЭМБРИОН ПОСТОЯННО ОМЫВАЕТСЯ ОКЕАНОМ ТОЧНОГО ВРЕМЕНИ, ПО КАПЛЕ ПЕРЕТЕКАЮЩЕГО В НОВУЮ ЖИЗНЬ. ПЛОД ЖИВЕТ И ПРОЦВЕТАЕТ ЗА СЧЕТ ВРЕМЕНИ, ЗАИМСТВОВАННОГО У МАТЕРИ
Циркадные ритмы материнского организма также могут служить будильником для плода. В ходе исследований было выяснено, что в родовой деятельности у многих видов млекопитающих также присутствует циркадный компонент. К примеру, роды у самок крыс обычно происходят в течение дня, что для данного вида равнозначно ночному времени, а в лаборатории начало потуг можно сместить, сокращая или продлевая продолжительность пребывания матери на солнце. В США большая часть домашних родов также случается в ночное время, между первым часом ночи и пятью часами утра. (В больницах, напротив, родоразрешение в будние дни чаще происходит между восемью и девятью часами утра. Вероятно, в статистическую выборку включены случаи стимуляции родовой деятельности и кесарево сечение – плановые мероприятия, осуществляемые строго по графику для удобства организации труда медперсонала.) В некоторых научных трудах по зоологии высказывается предположение, что и сам плод тоже активно участвует в составлении распорядка родовой деятельности. В последний день беременности эталонные часы в мозге ребенка, уже синхронизированные с ритмами светового дня, запускают каскад нейрохимических сигналов, достигающих кульминации в момент рождения. Юные часы, некогда запертые в темноте на периферии, обретают независимость и оповещают мир о своем суверенитете.
Лео и Джошуа появились на свет на шесть с половиной недель раньше срока с интервалом в четыре минуты рано утром четвертого июля, в День независимости. Новорожденные – странные создания, пронзительно вопящие и покрытые первородной смазкой, они, по-видимому, пребывают в глубоком шоке, приходя в наш мир. Оглядываясь назад, я честно признаюсь, что когда впервые увидел сыновей в родильном зале, то наши мальчики показались мне полубезумными марионетками, разбалансированными во всех суставах, – такое вот маленькое чудо. Несколько месяцев до рождения они были со временем на короткой ноге, принимая ванну, наполненную нейроактивными веществами, поступающими через плаценту, а теперь передо мною были два новых человека, которые безуспешно пытались нащупать часы на прикроватном столике и почти утратили надежду найти их. В их глазах застыл немой вопрос: который час?
Тем временем новообретенные эталонные часы наших двойняшек, повелевающие синхроимпульсами организма, должно быть, бросали на них гневные взгляды, читавшиеся в лучах ослепляющего света. (Скорее всего, это был электрический свет больничных ламп, которые наверняка были включены в два часа ночи, но несколько часов спустя новорожденные в любом случае увидели солнце.) Мишель Сифр, впервые выбравшийся на свет дня после заключения в пещере своего внутреннего времени, находился в более выигрышном положении благодаря зрелости внутреннего генератора циркадных ритмов. Восстановление более или менее нормального цикла чередования сна и бодрости заняло всего несколько дней, так что ученый вскоре вернулся к жизни в едином ритме с родными, близкими и миром в целом. Новорожденным приходится намного труднее: внутренние часы младенца, недавно появившегося на свет, еще далеки от совершенства. В момент рождения биоритмы ребенка синхронизированы с циркадным ритмом матери, а затем младенец на несколько недель погружается во временной хаос среди бела дня и утаскивает за собой всю семью.
Это объясняет многое из того, что происходило в нашем доме в течение первых недель жизни двойняшек, насколько я помню. Короткий беспорядочный сон совершенно расстроил мою рабочую память. Могу припомнить, как я в полночные часы кормил мальчиков из рожка, в который раз пересматривая «Французского связного», но сюжет фильма практически не оставил следов в моем сознании: вспоминаются какой-то бородач, погоня на автомобиле за вагоном метро и Джин Хэкман в шляпе с круглой плоской тульей с загнутыми краями. Как и Сифр, я едва ли вспомню, чем занимался в прошлый день, давно ли этот прошлый день закончился и закончился ли он вообще. Все это время слилось в непрерывную череду бодрствования и бессонницы. Когда к нам со Сьюзен спустя несколько месяцев наконец-то вернулась способность к рефлексии, мы ловили себя на том, что одновременно произносили две взаимоисключающие фразы: «время застыло» и «время пролетело», причем оба замечания казались нам справедливыми.
В течение первых трех месяцев жизни младенец затрачивает на сон от шестнадцати до семнадцати часов в сутки, но спит он вовсе не беспробудно. Периоды затишья практически равномерно распределяются в течение двадцати четырех часов: причем новорожденный ребенок спит днем больше, чем ночью. К двенадцатой неделе жизни суточный расклад меняется в пользу ночного сна. Хаотичный режим сна – следствие несовершенства внутренних коммуникаций. Хотя при рождении ребенка внутренние часы в гипоталамусе уже идут полным ходом, у него еще не сформированы связи между нервными и биохимическими путями, проводящими циркадные ритмы от супрахиазматического ядра к другим функциональным зонам мозга и внутренним органам.
«Часы тикают, – сообщил мне Скотт Ривкис, специалист по детской эндокринологии в Йельском университете. – Но иногда случаются нестыковки между часами и другими системами организма». Представьте себе, что спутниковая сеть GPS не получила сигналов точного времени от Военно-морской обсерватории США или Национальный институт стандартов и технологии не вышел на связь по известному радиоканалу, не транслирующему ничего, кроме сигналов точного времени. Примерно в таком положении находится мозг младенца, который воспринимает время суток правильно, но терпит фиаско в попытках правильно распространить сигналы.
Не так давно проблема нестыковки представляла большой интерес для медицинской науки. В конце девяностых годов прошлого столетия Ривкис весьма посодействовал успеху научно-исследовательского проекта по идентификации ретино-гипоталамического тракта, нервного пути, подключающего зрительный анализатор к супрахиазматическому ядру у недоношенных младенцев и рожденных в положенный срок детей. Также Ривкис обнаружил, что ретино-гипоталамический тракт активен уже на поздних сроках беременности: даже у малышей, родившихся на несколько недель раньше срока, рецепторы клеток реагируют на свет. Как признался мне Ривкис, открытие, равно как и следующие из него выводы, изрядно удивили его самого. Недоношенных детей помещают в отделение интенсивной терапии новорожденных до тех пор, пока они не окрепнут в достаточной степени, чтобы отправиться домой. В конце девяностых годов в залах отделения интенсивной терапии новорожденных свет не включался на протяжении всех суток. Согласно логике того времени, если внутри матки темно, то и в залах с боксами для недоношенных следует создавать аналогичные условия. Ривкис подвергал сомнению такой ход рассуждений. С появлением на свет недоношенного ребенка прекращается передача сигналов циркадных ритмов от матери, которые представляют собой информацию первостепенной важности, способствующую синхронному развитию формирующихся внутренних органов и физиологических систем. Но у недоношенного младенца уже сформирован ретино-гипоталамический тракт, так что он вполне способен самостоятельно генерировать циркадные ритмы, основываясь на импульсах, поступающих из окружающей среды. У Ривкиса зародилось подозрение, что в больницах младенцев лишают жизненно важных сигналов времени, руководствуясь самыми благими намерениями.
ЧЕМ РАНЬШЕ РЕБЕНОК УВИДИТ СВЕТ, ТЕМ РАНЬШЕ У НЕГО ВЫРАБОТАЕТСЯ ЧУВСТВО ВРЕМЕНИ, ЧТО ВАЖНО НЕ ТОЛЬКО ДЛЯ ЗДОРОВЬЯ В ЦЕЛОМ, НО И ДЛЯ ВЫРАБОТКИ НЕЙРОАКТИВНЫХ ВЕЩЕСТВ
Сомнения разрешил эксперимент, проведенный Ривкисом при поддержке коллег. За две недели до выписки контрольную группу младенцев поместили в типовые боксы отделения интенсивной терапии новорожденных, постоянно поддерживая приглушенное освещение в залах. Младенцы из опытной группы содержались в условиях циклического чередования освещенности: с семи часов утра до семи часов вечера в палате включался свет, в остальное время было темно. Детей из обеих групп выписывали домой с прикрепленными к лодыжкам кардиомониторами, постоянно отслеживающими едва уловимые изменения частоты сердечных сокращений и дыхательных движений. В результате анализа полученных данных было выяснено, что на первой неделе жизни дома младенцы из контрольной и опытной групп придерживались примерно одного и того же режима сна. При этом дети, которые до выписки содержались в условиях чередования уровня освещенности, в дневное время совершали на 20–30 процентов больше активных движений, чем ночью, вынуждая матерей уделять себе больше внимания. В контрольной группе значимые колебания суточной активности не проявлялись на протяжении последующих 6–8 недель. Чем раньше ребенок увидит свет, тем раньше у него выработается чувство времени, что важно не только для здоровья в целом, но и для выработки нейроактивных веществ, необходимых для формирования привязанности к членам семьи.
Благодаря исследованиям группы Ривкиса в блоках интенсивной терапии новорожденных сейчас повсеместно используется циклическое освещение. Тем не менее миф о безвременье внутриутробного существования, по признанию ученого, пустил глубокие корни в массовом родительском сознании. Патронажные сестры, навещающие молодых родителей, обычно застают новорожденных спящими в затемненных комнатах или при приглушенном свете. «Вы, наверное, думаете, что дома детей ожидают яркие хорошо проветренные комнаты, но в большинстве случаев все наоборот», – рассуждает Ривкис. (Обычно педиатры рекомендуют затемнять окна в детской светонепроницаемыми шторами только в вечернее и ночное время, от заката до рассвета, но не во время послеобеденного сна.) Импринтинг циркадных ритмов матери продолжается даже после рождения ребенка. Недавно было проведено несколько экспериментов, в ходе которых в материнском молоке был обнаружен триптофан – предшественник мелатонина, того самого нейроактивного вещества, которое вызывает сон. (В организме взрослого человека мелатонин продуцирует шишковидная железа головного мозга.) Естественная выработка мелатонина привязана к циркадным ритмам биологических часов матери: в определенные часы молочная железа производит большее количество молока, чем в иное время суток. Регулярное кормление грудью по установленному графику способствует адаптации режима сна ребенка к суточному распорядку матери и циклам чередования дня и ночи в природе. Проведенные исследования дают основания предполагать, что дети, находившиеся на грудном вскармливании, приспосабливаются к здоровому режиму сна быстрее, чем искусственно вскармливаемые дети. В представлении новорожденного ребенка день надлежит употребить и переварить как пищу.
Я снова просыпаюсь в темноте от крика: это проголодался Лео. Который час? Я нашариваю на прикроватной тумбочке часы и подношу к глазам циферблат: 4:20. Сегодня двадцать первое июня, первый летний день, начиная с которого распределение дневного и ночного времени суток смещается в сторону светового дня. Очевидно, я буду вынужден бодрствовать каждую минуту этого долгого светового дня.
Заручившись поддержкой порядка двадцати тысяч клеточных часов и специализированных нейронов, локализованных на сетчатке глаз, Лео и Джошуа уже переварили солнечный свет, излившийся на них на протяжении первых трехсот шестидесяти пяти дней жизни. В течение нескольких недель двойняшки спокойно спали ночи напролет, но пробуждаются они ужасающе рано, даже раньше птиц, едва забрезжит рассвет. Мои друзья утверждают, что мне удастся поспать чуть дольше, если мы будем укладывать детей чуть позже, чем обычно. Однако мы с женой кое-что прочитали о смещении циркадных ритмов и поэтому всецело доверяем науке во всем, что касается нашего душевного здоровья.
Дневное освещение обнуляет показания биологических часов, но срабатывает далеко не каждый раз, иначе наши внутренние часы обнулялись бы в каждую секунду пребывания в освещенном месте. В действительности живые существа наиболее восприимчивы к свету, а точнее, к изменениям интенсивности освещения, в начале периода активности, эквивалентного дню. Биологические часы у ночных животных, к примеру у летучих мышей, более чутко реагируют на изменения интенсивности освещения вечером, а не утром, тогда как дневные животные, к которым можно отнести и детей, вступивших в фазу более или менее стабильной дневной активности, более восприимчивы к воздействию света на рассвете, чем с приближением сумерек. Таким образом, стоит ожидать, что наши дети будут просыпаться примерно в одно и то же время независимо от того, когда мы уложим их спать – в шесть или в восемь часов вечера.
Как только я снова мысленно обсудил эти вопросы со Сьюзен (сейчас она уже на ногах, как и я), птицы за окном разразились трелью: вначале защебетала одинокая малиновка, а затем песню подхватил целый хор. На часах было 4:23, мимо нетвердой походкой прошествовала Сьюзен, собираясь покормить Лео, который спустя двадцать минут снова забылся сном, позволив матери вернуться в постель, но не прошло и минуты, как с пронзительным криком проснулся Джошуа. Сквозь жалюзи струился бледный утренний свет, в птичьих песнопениях царила полнейшая какофония, которая, по нашему мнению, разбудила Джошуа. Характеризуя событие, обнуляющее показания биологических часов, ученые, изучающие циркадные ритмы, прибегают к понятию «задатчик времени» по аналогии с немецкоязычным термином zeitgeber: слово Zeit означает «время», а словом Geber именуют дающего. Солнечный свет – самый сильный и наиболее распространенный среди всех известных науке задатчиков времени. Не получая исходных сигналов солнечного света достаточно долго, человек находит другие ориентиры, по которым можно было бы осуществлять поверку внутренних часов, не отдавая себе в этом отчета. На роль ориентира сгодится будильник, звон колокола или регулярный контакт с кем-то другим, пусть даже самый элементарный. Итак, в нашем случае дневной свет служит задатчиком времени для малиновки, малиновка – для ребенка, а проснувшийся ребенок – для взрослого.
«Замолкни, птичка», – шепчет Сьюзен.
Становится ясно, что опыт родительства постепенно превращается для нас в бесконечную череду уступок. На первых порах мы внушали себе, что мы не просто молодые родители, а менеджеры новоиспеченной компании. Сюжет выдуманной нами истории предполагал, что наша жизнь нисколько не изменится с появлением двух очаровательных, пусть даже не вполне старательных сотрудников. Наша задача состояла в том, чтобы приучить их подчиняться графику нашего семейного предприятия: принимать пищу в определенные часы, спать с такого-то времени по такое-то и, таким образом, идеально подстроиться под наш прежний образ жизни и наши представления о себе. Однако с каждым днем нам все чаще казалось, что фирма полностью перешла под контроль работников, не оправдавших оказанного доверия.
Одно время я неистово дожидался полуденного сна сына, намереваясь на три-четыре часа войти в режим функционирования прежнего «я», когда я еще был в состоянии писать и спать, воображая, что и в своей теперешней ипостаси смогу заниматься тем же. Но это итоже оказалось вымыслом. Я укладывал мальчиков в кроватки и тихо ускользал из детской, они на какое-то время затихали, но вскоре кто-то из них начинал агукать, призывая меня вернуться обратно. Если я медлил с возвращением, сын поднимал крик, подпрыгивая в постели, а его брат тем временем продолжал мирно спать в своей кроватке, стоящей в нескольких шагах. Поведение ребенка меня чрезвычайно раздражало, я усматривал в нем вызов отцовскому диктату и покушение на свою независимость. Мне хотелось объяснить сыну, что это мое время.
Я старательно любезничал с малышом, всячески умасливал его, потом пытался его журить, но мои попытки выглядеть убедительно лишь раззадоривали сына, что поднимало во мне бурю негодования. Когда мне не удавалось напугать мальчика угрюмым выражением лица, казалось, будто сыну доставляет удовольствие поддразнивать меня своими выходками. Позже я с содроганием осознал, что приобрел авторитет в глазах ребенка, и теперь малыш пытается противостоять ему по мере своих сил, а под конец до меня дошло, что он вовсе не сопротивляется никакому авторитету, он просто хочет, чтобы значимый взрослый с ним поиграл. В итоге я капитулировал, распрощавшись с попытками создать иллюзию рабочего дня, и с тех пор мы превосходно проводили вдвоем время, отведенное для полуденного сна, ниспровергая авторитеты вместе. Однажды в послеобеденное время мой сын указал на часы, висевшие на стене в детской; по-видимому, тиканье мешало ему спать, и он захотел присмотреться к источнику шума поближе. Я снял часы со стены, поднес их к лицу ребенка и продемонстрировал ему пластиковый чехол на задней поверхности, за которым скрывалась аккумуляторная батарея и сам часовой механизм. Потом несколько раз перевернул их, и некоторое время мы вместе зачарованно наблюдали за движениями секундной стрелки.
* * *
Я работаю в старом доме, расположенном у подножья холма на берегу Гудзона. Здание бывшей пивоварни дало приют хаотичному сочетанию предприятий местного значения: подрядной строительной компании, мастерской по ремонту пианино и детской школе танцев вперемешку со студиями художников и музыкантов. Стены тонкие, полы покрыты линолеумом, и вся конструкция находится в плачевном состоянии. Вечером я убираю компьютер в пластиковый чехол, опасаясь капель и мелких частиц песка, падающих с крыши. Как-то утром я заметил, как пилюльная оса принялась вить гнездо на моем потолке, а в другой раз услышал сквозь стену, как в соседней комнате работодатель отчитывает свою сотрудницу, которая, как впоследствии оказалось, приходилась ему матерью: «Если горят сроки и нужно больше времени, первое, что нужно сделать, – выяснить, сколько времени потребуется, чтобы закончить работу!»
ЕСЛИ К ИСТОРИИ СУЩЕСТВОВАНИЯ ЖИЗНИ НА ЗЕМЛЕ ПРИМЕНИМО ПОНЯТИЕ ПЕРВОИСТОКОВ, ТО ЖИЗНЬ, ПО ВСЕЙ ВИДИМОСТИ, НАЧИНАЕТСЯ С ЦИАНОБАКТЕРИЙ И, ВЕРОЯТНО, НА НИХ ЖЕ И ЗАКОНЧИТСЯ
Напротив здания, рядом с автостоянкой, обнаруживается рукотворный пруд с лавочкой, на которую я иногда усаживаюсь, когда хочу над чем-нибудь поразмыслить. Пруд небольшой – всего несколько метров в длину, а по краям выступает бетонная окантовка. Впуск воды, а точнее, стоков пригорода, осуществляется через ливнеспуск на отдаленном конце водоема, густо поросшем сорными травами, а выпуск – через дренажную трубу на ближнем конце пруда. Ранней весной вода еще достаточно прозрачная, так что можно рассмотреть золотых рыбок, суетящихся у самого дна, на глубине около 1,2 метра. В середине мая поверхность пруда покрывается зеленой пленкой, а к концу июня весь водоем забит тиной, так что рассмотреть ничего не удается – остается лишь догадываться, что скрывается за толстым слоем ила.
Тину и водоросли часто называют плесенью на теле земли, но едва ли они заслуживают столь дурной славы. То, что мы привыкли называть тиной, как правило, оказывается колонией цианобактерий, или сине-зеленых водорослей, составляющих одну из самых многочисленных групп прокариотов – безъядерных одноклеточных организмов, которые обитают в толще воды и процветают в условиях активной инсоляции. Цианобактерии не похожи ни на обычные бактерии (микробы, живущие у вас дома, едва ли способны к фотосинтезу), ни на одноклеточные водоросли, которые представляют собой эукариотические клетки с оформленным ядром, но это не помешало им заполонить собой весь мир. На долю цианобактерий, находящихся в первых звеньях трофических цепей, приходится внушительная доля всей совокупной биомассы планеты. Помимо прочего, цианобактерии считаются одной из древнейших форм жизни на Земле, возраст которой приблизительно оценивается в 4,5 миллиарда лет. Они появились на планете по меньшей мере 2,8 миллиарда лет назад; наиболее вероятное время возникновения – примерно за 3,8 миллиарда лет до насыщения атмосферы Земли кислородом, которое, к слову, приписывается именно цианобактериям: у этих одноклеточных кислород выступает побочным продуктом фотосинтеза. Как бы там ни было, в один момент сухой концентрат пространства-времени был освоен и преображен живыми существами. Если к истории существования жизни на Земле применимо понятие первоистоков, то жизнь, по всей видимости, начинается с цианобактерий и, вероятно, на них же и закончится.
Биологические часы оказались очень полезны для адаптации живых существ к условиям окружающей среды. Начнем с того, что они выступают главной опорой жизнедеятельности в целом. Теоретически без них можно обойтись: хронометрирование физиологических процессов может осуществляться автономно за счет внутренних ресурсов организма. Наш внутренний хронометр в состоянии обеспечить координацию физиологических процессов, протекающих во внутренней среде организма, напрямую поддерживая постоянную связь с тактовыми импульсами двадцатичетырехчасового суточного ритма, которые задает солнечный свет. Но в таком случае наш организм по ночам и в пасмурные дни неизбежно отправлялся бы в свободное плавание по рекам времени. (Представьте себе, что у ваших радиоконтролируемых часов приемник регулярно выходит из строя, из-за чего они теряют способность отсчитывать время.) До конца восьмидесятых годов XX века большинство биологов стояли на том, что у микроорганизмов, таких как цианобактерии, циркадные ритмы вовсе отсутствуют, по той простой причине, что жизнь среднестатистического микроба слишком коротка, чтобы вписаться в них. Деление типичной одноклеточной цианобактерии происходит каждые несколько часов. При солнечном свете размножение клеток активизируется, в темноте интенсивность клеточных делений снижается. В течение двадцати четырех часов один материнский одноклеточный организм дает начало шести и более поколениям дочерних клеток, которых насчитывается невероятное множество. Как метко выразился в разговоре со мной Карл Джонсон, микробиолог из Университета Вандербильта: «Какой смысл обзаводиться часами, если на следующий день вы будете уже другим человеком?»
Более двадцати лет Джонсон находится в авангарде исследований, которые дают понять, что у бактерий все-таки есть свой циркадный хронометр, причем поразительно точный. Более того, клеточные часы бактерий настолько не похожи на молекулярные часы животных, растений и грибов, что в отношении первых напрашивается вопрос о причинах эволюции внутреннего часового механизма и о том, как могли быть этимологически связаны между собой последующие модификации биологических часов.
Цианобактерии производят кислород в ходе фотосинтеза; многие виды также обладают способностью фиксировать атмосферный азот и превращать его в соединения, легко усваиваемые растениями. Единовременное осуществление фотосинтеза и азотфиксации – невероятно сложная задача, так как присутствие кислорода угнетает активность фермента, задействованного в каптаже азота. Тем не менее высокоорганизованные нитчатые цианобактерии могут параллельно осуществлять оба процесса, распределяя обязанности между специализированными клетками. У одноклеточных цианобактерий нет внутриклеточных отсеков, поэтому они вынуждены распределять функции по времени: фотосинтез осуществляется днем, а фиксация азота – ночью.
Существование суточного цикла чередования фотосинтеза и азотфиксации у цианобактерий навело ученых на мысль о некотором аналоге биологических часов у микроорганизмов. Джонсон с коллегами разобрались в устройстве часового механизма, основываясь главным образом на изучении цианобактерий вида Synechococcus elongatus, широко используемого в лабораторных экспериментах. Аналогичный принцип действия внутренних часов встречается у многих видов цианобактерий, а некоторые его аспекты присущи микроорганизмам других родов, но у более высокоорганизованных организмов нет ничего похожего. В ядре клетки у Synechococcus elongatus присутствуют три вида белков – KaiA, KaiB и KaiC, чьи названия происходят от японского иероглифа kaiten, которым обозначают циклическое круговращение небес. Ведущая роль принадлежит белку KaiC, молекула которого частично напоминает два пончика, сложенных один на другой. Эпизодически взаимодействуя с двумя другими белками, KaiC довольно ловко справляется с функциями шестеренки часов. При этом происходит частичное изменение конформации молекулы, в результате чего она приобретает способность захватывать и высвобождать фосфат-ионы. В конечном счете все три вида белков формируют временное молекулярное образование, которое называется периодосомой. Сьюзен Голден, микробиолог из Калифорнийского университета Сан-Диего, образно описывает взаимодействие между белками как «групповые объятия», на которые уходит около двадцати четырех часов.
«Это похоже на работу шестерен в часовом механизме», – объясняла мне Голден. Процесс настройки передач примечателен множеством любопытных аспектов, но больше всего поражает то, что он функционирует автономно. Биологические часы высокоорганизованных форм жизни приводит в действие циклический характер экспрессии ДНК: основные гены ядра, кодирующие качественные признаки, запускают процесс сборки белков. Поступая в ядро из цитоплазмы, последние отключают экспрессию первых. Клетки цианобактерий лишены ядер, их внутренние часы представляют собой неопосредованные взаимодействия между белками. Эти белки синтезируются специфическими генами, и при их выщеплении внутренние часы выходят из строя в силу нехватки нужных деталей. Продолжительность тактов белковых часов, однако, не привязана к скорости экспрессии генов и практически не связана с ДНК клетки. При изъятии ключевых белков из клетки и помещении в пробирку они даже в условиях полной изоляции продолжают взаимодействовать двадцать четыре часа в сутки изо дня в день, как ни в чем не бывало.
«В устройстве эндогенных часов растений, животных и грибов намного больше неопределенности, – отметила Голден. – В сущности, это суммарный эффект некоторых событий, в которых фигурирует множество различных сил. Внутренние часы цианобактерий необычны тем, что они вещественны: мы имеем дело с реальным устройством, которое можно поместить в пробирку, и оно будет продолжать работать».
Предполагается, что некоторые органеллы клеток, в особенности митохондрии, вырабатывающие энергию для метаболических реакций, а также, к примеру, хлоропласты, в которых осуществляется фотосинтез, происходят от автономных прокариотических микроорганизмов, поглощенных другими клетками, которые не были утилизированы в ходе метаболизма, а стали, по сути, внутренними симбионтами клетки-хозяина. Я поинтересовался, не могло ли что-то похожее произойти и с белковыми часами: существовал ли когда-нибудь подобный механизм в природе независимо, до интеграции с клетками цианобактерий, на положении позаимствованных часов или, возможно, он существует до сих пор, на что последовал отрицательный ответ. По словам Голден, ученым удалось вызвать репликацию белковых часов внутри живой клетки исключительно за счет высокоточных лабораторных техник. Тем не менее само их существование говорит о большой надежности и простоте устройства. Получив в распоряжение подходящий контейнер и всего лишь горсть деталей, естественный отбор довольно быстро изобретет точные часы, которые будут в готовом виде передаваться из поколения в поколение.
Действительно, при делении клеток цианобактерий белковые часы распадаются на две части и все равно продолжают тикать, не сбиваясь с такта. Из двух бактерий получаются четыре, потом восемь, затем шестнадцать бактерий и в конце концов – миллионы идентичных клеток, содержащих одинаковые модели часов, большей частью синхронизированных в едином ритме времени. Часы состоят из множества белков, упакованных в мешок клеточной мембраны, внутри которого происходят все взаимодействия между белковыми молекулами. Когда мешок делится пополам, белки также делятся поровну, но сам часовой механизм при этом остается незатронутым и продолжает воспроизводить прежний ритм даже в новой упаковке. Поскольку принцип действия белковых часов не связан с ДНК организма, срок их службы превышает продолжительность жизни отдельной клетки. Глядя на мутную пленку, заволокшую пруд возле моего офиса, невозможно догадаться, что перед вами простирается единый циферблат белковых часов миллиардов клеток цианобактерий.
Некоторые подобия внутренних часов обнаруживаются примерно у дюжины других видов цианобактерий. «Могут существовать и другие организмы с другими видами внутренних часов, – рассуждает Голден. – Неизвестно, сколько разновидностей внутренних часов может быть в мире». Столкнувшись с колоссальным разнообразием внутренних часов у животных, растений, грибов и бактерий, биологи задумались, насколько глубоко эти часы могут быть связаны между собой. На этот счет известны две точки зрения. Одна из них, которую можно условно назвать школой множественности внутренних часов, предполагает, что двадцатичетырехчасовой цикл колебаний интенсивности освещения сам по себе оказывает решающее влияние на ход естественного отбора, и поэтому наличие биологических часов можно рассматривать как эволюционное приспособление, принимающее разнообразные формы. «У разных организмов на кухне разный набор ингредиентов, из которых можно приготовить часы», – говорила мне Голден. Если часы идут ровно, значит, механизм работает.
ЦИКЛ ВНУТРЕННИХ ЧАСОВ И ПРОДОЛЖИТЕЛЬНОСТЬ СВЕТОВОГО ДНЯ КРЕПКО СПАЯНЫ МЕЖДУ СОБОЙ, ПРИЧЕМ ЭТО НАБЛЮДАЕТСЯ ПОВСЕМЕСТНО ВО ВСЕХ ЦАРСТВАХ ЖИВЫХ ОРГАНИЗМОВ
Школа единства внутренних часов придерживается иного подхода: ее представители переворачивают аргументацию оппонентов с ног на голову, указывая на то, что цикличность освещения стала движущей силой естественного отбора лишь в силу независимой эволюции эндогенных часов, которые на тот момент уже должны были достичь высокой ступени развития. Найти аргументацию в пользу такой точки зрения сложно из-за значительной дифференциации биологических часов у разных категорий живых существ. Различия в устройстве внутреннего часового механизма у людей и растений, у растений и грибов, грибов и цианобактерий и т. д. слишком велики, чтобы запросто примириться с ними. Тем не менее Карл Джонсон признает, что различия имеют право на существование. По его мнению, механизмы транскрипции генов и трансляции белков, лежащие в основе молекулярного диалога, составляющего сущность биологических часов многоклеточных организмов, в чем-то напоминают белковые часы цианобактерий, идущие в обратном направлении, от опосредованной коммуникации к прямой. «Я долгое время продвигал идею о том, что механизм транскрипции-трансляции не может быть стержневой моделью внутренних часов, – говорил ученый. – Возможно, пример цианобактерий подводит нас к новому пониманию эндогенного часового механизма».
Если долго всматриваться в мутные воды занесенного тиной пруда, в котором тикают миллиарды белковых часов цианобактерий, со дна начинают подниматься пузырьки вопросов: например, сколько эволюционных скачков потребовалось биологическим часам, чтобы достичь своего нынешнего состояния, – один или несколько? Что вообще побудило их к эволюции?
Пока никаких вариантов ответов наука дать не может: естественный отбор хорошо заметает следы. Также можно с большой долей уверенности сказать, что к появлению эндогенных часов в значительной мере причастен солнечный свет. Цикл внутренних часов и продолжительность светового дня удивительно крепко спаяны между собой, причем это наблюдается на систематической основе повсеместно во всех царствах живых организмов, так что едва ли речь идет о простом совпадении.
Представьте себя на месте микроорганизма и постарайтесь найти применение вашему внутреннему часовому механизму с двадцатичетырехчасовым циклом. Эндогенные часы, безусловно, подстрахуют вас в тех случаях, когда солнечный свет вам недоступен, но в то же время они служат сигнальным устройством наподобие будильника, точно оповещая вас о том, когда завтра произойдет рассвет, чтобы вы успели к нему подготовиться. Фотосинтезирующие микроорганизмы благодаря внутренним часам успевают привести в рабочее состояние свои аккумуляторы. Возможно, другие узлы фотосинтезирующего аппарата получают при этом дополнительный активирующий импульс. В результате микроорганизм приобретает преимущество в воспроизводстве и передает свои внутренние часы следующим поколениям микробных клеток. В экваториальных широтах, где продолжительность дня и ночи примерно одинакова, а закаты и рассветы происходят примерно в одно и то же время, биологические часы, возможно, и не дают ощутимых привилегий. Но по мере продвижения на север или на юг в направлении полюсов соотношение светлых и темных периодов в сутках изменяется изо дня в день в течение года, и в таких случаях внутренние часы помогают предугадывать эти колебания. Возможно, наличие биологических часов способствовало расширению ареалов древних форм жизни подобно тому, как введение понятия долготы в XVII веке и изобретение механических часов помогло Великобритании опередить соперников в исследовании морей и колонизации далеких земель.
Вместе с тем солнечный свет в качестве движущей силы отбора отрезает оба пути: по возможности его лучше избегать и утилизировать. Ультрафиолетовое излучение может вызвать тяжелые повреждения ДНК; геном наиболее уязвим во время деления клетки, когда ДНК распаковывается перед дупликацией. Около четырех миллиардов лет назад воздействие ультрафиолетового излучения было особенно пагубным, поскольку поверхность Земли еще не была защищена слоем озона (O3), который предохраняет все живое от самых вредоносных лучей в наше время. Цианобактерии, которым приписывается главная заслуга в насыщении атмосферы кислородом и создании озонового слоя, на что ушло не менее миллиарда лет, тогда оказались в самом невыигрышном положении. Не имея жгутиков, они были лишены способности к активным передвижениям и не могли укрыться от палящего солнца в сумерках толщи воды. Как же они размножались, не выставляя под жесткие ультрафиолетовые лучи самые деликатные органы?
Возможно, цианобактерий выручали биологические часы: сверяясь с ними, микроорганизм выбирал для деления клетки самое безопасное время суток. На основании данного предположения биологи выдвинули гипотезу избегания света, объясняющую, как цианобактериям удавалось размножаться в неблагоприятных условиях. Хотя со стороны может показаться, что клетки цианобактерии в присутствии света делятся безостановочно, так как для клеточных делений требуется солнечная энергия, но у них могут действовать временные ограничения размножения. В ходе полевых исследований трех микробиоценозов, два из которых составляли водоросли, а третий был представлен цианобактериями одного вида, было установлено, что фотосинтетическая активность во всех трех микробиоценозах продолжалась весь день, однако между тремя часами дня и шестью часами вечера прекращался синтез ДНК. Затем фотосинтез возобновлялся и не прерывался до самого заката. Таким образом, клеточные структуры, наиболее восприимчивые к ультрафиолету, в середине дня почивают в тени.
Не исключено, что у современных растительных и животных клеток сохранилась реликтовая память о пройденных путях эволюции в лице специализированных белков, которые называются криптохромами. Криптохромы восприимчивы к излучениям синего и ультрафиолетового спектра и входят в состав внутреннего часового механизма растений и животных, помогая организму синхронизироваться с естественным суточным циклом. Прослеживается выраженное сходство строения белковых молекул со структурой фермента ДНК-фотолиазы, который использует энергию синих лучей для репарации участков ДНК, поврежденных ультрафиолетовым излучением. Некоторые биологи полагают, что функции ДНК-фотолиазы могли изменяться в ходе эволюции. Возможно, бывшие инструменты ремонта клеточных структур, пострадавших от ультрафиолета, скооперировались между собой и образовали эндогенные часы, в которых они уже в качестве криптохромов выдвинулись на руководящие позиции и сейчас помогают организму уклоняться от повреждающего действия солнца. Так рядовой санитар превратился в эксперта по мирному урегулированию конфликтов.
Если приверженцы теории избегания света правы, тогда внутренние часы оказались первым в мире профилактическим средством, реализовавшим на практике идею безопасного секса. Организмы, способные прогнозировать наступление пиков солнечной активности и воздерживаться от воспроизводства в самые опасные часы, получали вознаграждение, продолжая себя в новых поколениях, тогда как особи, которые не умели рассчитывать время либо не располагали подходящим инструментарием, лишались возможности передать свои гены потомкам. Вопрос жизни и смерти всегда стоял убийственно прямо, по-мальтузиански. Глядя на пруд возле моего офиса, я не вижу перед собой разверзнутой пропасти беззакония, кишащей смертоубийствами и беспорядочным сексом, хотя в общем-то полагаю, что именно так он и выглядит в действительности. Тем не менее, какой бы отвратительной ни казалась тина, создаваемая цианобактериями, мы все равно перед ними в долгу – за прожитое время суток.
