5
Сон и биоритмы. Товарищ ли «сова» «жаворонку»?

Биологические ритмы обнаружены у всего живого на Земле. Наука, которая занимается изучением этих ритмов, называется хронобиологией. Когда встал вопрос, как назвать эту новую область, то более простое название – биоритмология – оказалось уже занято. В это время (в 1970-е гг.) бытовало околонаучное представление о существовании ритмов, которые включаются с рождением человека и поэтому по ним можно прогнозировать практически всю его жизнь. Согласно этим представлениям, функциональное состояние человека в любой момент предопределено с момента его рождения суперпозицией трех биоритмов – физического, эмоционального и интеллектуального, которые определяют всю его жизнь с периодами в 23, 28 и 33 суток соответственно. Чтобы дистанцироваться от этого представления, новую науку решено было назвать хронобиологией (хронос – время по-гречески), т. е. наукой, занимающейся временны́ми аспектами живой природы.

По сути своей хронобиология является древней наукой – от людей не могло ускользнуть периодическое изменение активности животных и растений, связанное с чередованием светлого и темного времени суток. Это отмечалось еще Аристотелем, и исследования биологических ритмов стали проводиться довольно рано. Сохранилось первое упоминание о таком исследовании, построенном по всем правилам научного поиска. В 1729 г. Жан-Жак д’Орту де Майран направил в Королевскую академию наук Франции письмо, где сообщил о результатах своих опытов над растением, именуемым мимозой стыдливой. Оно было названо так, поскольку имеет обыкновение складывать листья в ответ на прикосновение. Было известно, что растение складывает свои листья и в темноте. Де Майран поместил растение в условия постоянной темноты и наблюдал, что суточная периодичность складывания листьев сохранилась. Несмотря на отсутствие освещения, днем мимоза раскрывала листья, а ночью складывала. Ученый сделал вывод о том, что растение «ощущает» солнце, хотя и не видит его, и предложил академикам заняться этим вопросом.

В дальнейшем ботаники провели много интересных наблюдений биологических ритмов растений. Так, английский ученый Джагадиш Чандра Бозе придумал прибор, который многократно усиливает движения растений, и с помощью этого прибора показал, что в условиях постоянного освещения или его отсутствия период раскрывания листьев растений не точно соответствует 24-часовому периоду вращения Земли, но возобновление чередования света и темноты позволяет растению подстроить собственный ритм под суточный. В 1935 г. немецкий ученый Эрвин Бунинг обнаружил, что суточные ритмы растений передаются по наследству.

Исследователи биологических ритмов животных заметно отставали от ботаников. Впервые изменение температуры тела у людей в течение суток было выявлено английским врачом Вильямом Огле в 1866 г., а в 1905 г. британцы С. Симпсон и Дж. Галбрайт провели исследование температурного ритма обезьян, по результатам которого они предположили наличие в организме животного внутреннего источника этого ритма (внутренних часов). С тех самых пор и по настоящее время температура тела остается одним из самых надежных показателей, измеряя который хронобиологи отслеживают работу биологических часов.

Далее встал вопрос: где же находятся эти внутренние часы? Несомненно, что в головном мозге, но в какой его области? Для того чтобы определить их локализацию, проводились опыты с разрушением различных участков мозга подопытных животных. Американский психобиолог Курт Рихтер в опытах на крысах в 1965 г. смог установить, что источник внутреннего ритма у млекопитающих находится в области гипоталамуса – самой древней части головного мозга. При разрушении этой области крысы теряли периодичность суточной активности: в дневное время они бодрствовали и, наоборот, в ночное – спали (крысы являются ночными животными). В 1972 г. две группы американских исследователей обнаружили точное место расположения внутренних часов в гипоталамусе млекопитающих. Эти скопления нейронов назвали супрахиазменными ядрами (СХЯ), поскольку они располагаются прямо над перекрестом зрительных нервов. Вначале было трудно осознать, что крошечный участок мозга, содержащий 20 000 нейронов (у человека), управляет всем многообразием биологических ритмов организма.

Первый ген, связанный с регуляцией биологических ритмов, обнаружили в 1971 г. Как и следовало ожидать, это открытие было сделано на самом любимом объекте исследования генетиков – дрозофиле. Американские ученые Сеймур Бензер и Рональд Конопка обнаружили, что три разные мутантные мушки – с 28-часовым периодом, 20-часовым периодом и аритмичные, т. е. не имевшие четкого периода вылупления, – имеют повреждения в одном и том же гене, названном PER (от английского слова period – «период»). Гомолог (точное подобие) этого гена у млекопитающих идентифицировали только в 1997 г. К началу 1990-х гг. открыли целое семейство генов, получившее название «часовые гены». Оказалось, что их функцией является обеспечение работы часового механизма в живой клетке. Было высказано предположение, что такой клеточный часовой механизм действует по типу обратной связи в процессе транскрипции-трансляции. Сначала во время транскрипции информация экспрессируется (считывается) в ядре клетки СХЯ с локусов ДНК, в которых расположены часовые гены. Затем транспортные РНК покидают ядро, чтобы на рибосоме транслировать эту информацию в последовательность аминокислот, собирающихся в белок – катализатор клеточных реакций. После этого часовые белки подвергаются ряду биохимических преобразований и проникают из протоплазмы клетки обратно в ядро для того, чтобы остановить дальнейшее считывание информации со своих же часовых генов. Постепенно блокирующие ДНК белки распадаются, и экспрессия часовых генов возобновляется. Весь этот цикл молекулярно-биологических процессов занимает у большинства организмов примерно (но не точно!) 24 часа (в большинстве случаев – 24,5 часа). За полную расшифровку механизма работы внутренних часов живой клетки в 2017 г. американские ученые-генетики Джеффри Холл, Майкл Розбаш и Майкл Янг получили Нобелевскую премию по физиологии и медицине.

Большой стимул к развитию хронобиология получила в 1950–1960-х гг., когда началась «космическая гонка». Две сверхдержавы – СССР и США – соревновались в том, какая из них первой выведет на орбиту Земли человека. Однако оставалось неясным, насколько губительным окажется исчезновение суточного чередования освещенности для живого организма. В связи с этим исследования в области хронобиологии получили значительную поддержку. В 1960-х гг. была проведена серия классических «бункерных» экспериментов. Более 200 добровольцев в течение различных периодов времени жили в переоборудованном военном бункере в условиях изоляции от внешней среды. Они не имели информации о времени и уровне освещенности, сами определяли, когда им ложиться спать, бодрствовать и принимать пищу. При этом у них регулярно проводились измерения температуры тела, секреции гормонов, состава биологических жидкостей. На фоне изоляции от внешних источников времени собственные биологические ритмы испытуемых стали явными и проявили свои истинные, заложенные в генах, характеристики. Немецкие исследователи Юрген Ашофф и Рютгер Вивер, проводившие эксперимент, обобщили результаты исследований в первой монографии по биологическим ритмам человека. В результате этой работы было показано, что и у человека период внутренних часов не равен 24-часовому периоду вращения Земли. После того как связь испытуемых с внешним миром прекращалась, у большинства из них суточный ритм начинал «плыть», смещаясь во все более и более позднем направлении. Каждый следующий день испытуемые ложились спать на несколько минут или даже часов позднее. Это обусловливалось тем, что у большинства из них период внутренних часов составлял более 24 часов и к окончанию астрономических суток их «личные» сутки не заканчивались. Такие же отличия были получены не только для сна, но и для других ритмов, таких как ритм изменения температуры или выделения мочи. Так впервые удалось определить границы периода внутренних часов человека. У большинства испытуемых он превышал время астрономических суток и приближался к 25 часам, однако были обнаружены люди с меньшим, чем 24 часа, внутренним периодом. В условиях изоляции они, наоборот, ложились спать все раньше и раньше, соответственно, для них эксперимент в итоге продолжался дольше.

Параллельно с этим хорошо организованным научным исследованием некоторые энтузиасты проводили эксперименты на себе – на свой страх и риск. Французский спелеолог Мишель Сифр в 1962 г. спустился в пещеру Скарассон в Альпах и жил там два месяца в условиях изоляции от внешнего мира. По условиям эксперимента Сифр сообщал на поверхность каждый раз, когда просыпался и ложился спать и каково, по его мнению, в этот момент было астрономическое время. Кроме того, два раза в «сутки» он считал до 120 за две субъективные минуты. Периоды бодрствования и сна Мишеля Сифра в среднем составили 24,5 часа, поэтому окончание эксперимента для него наступило быстрее, чем он представлял. Через 10 лет Мишель Сифр вновь спустился под землю и прожил там в собственном ритме еще шесть месяцев. Вновь его внутренние сутки оказались длиннее астрономических – исследование закончилось на 180-й день, в то время как он считал, что идет только 151-й.

Позднее результаты бункерных исследований подвергли сомнению, поскольку в них испытуемые могли пользоваться светом, влияющим на биоритмы, – об этом во время проведения экспериментов ученые еще не знали. В последовавших исследованиях использовался более изощренный протокол «принудительной десинхронизации», когда испытуемых, находящихся в условиях слабого освещения, «запутывали», давая неверную информацию об астрономическом времени. При этом вновь были определены параметры внутренних часов – у большинства людей они все равно составили более 24 часов, в среднем 24 часа 15 мин. Результаты экспериментов с изоляцией показали, что без внешней информации об астрономическом времени человек может успешно жить и работать. При этом его биологические ритмы становятся «свободно выбранными», соответствующими суточной активности внутренних часов.

В других экспериментах ученые определяли, какие именно воздействия дают возможность внутренним часам синхронизировать свою работу с астрономическим временем. Оказалось, что главным сигналом, обеспечивающим такую синхронизацию, является свет. Совсем небольшого его количества оказывается достаточно, чтобы внутренние часы подстроили свою деятельность под внешнее время. Каким же образом эти часы получают информацию об уровне освещенности?

Для этого в глазу имеются специальные фоторецепторы, содержащие пигмент меланопсин. Обнаружены они были сравнительно недавно, в 1991 г., британским нейробиологом Расселом Фостером. До этого считалось, что в сетчатке глаза имеются только так называемые палочки и колбочки, обеспечивающие процессы зрения. Палочками называют цилиндрические отростки клеток сетчатки, в которых содержится пигмент родопсин, они отвечают за ночное и периферийное зрение. Колбочками называют отростки клеток сетчатки конической формы, в которых содержится пигмент йодопсин, отвечающий за цветное зрение. В ночное время, когда поток фотонов недостаточен для нормальной работы колбочек, зрение обеспечивают только палочки, поэтому в темноте человек не может различать цвета («ночью все кошки серы»).

Обнаруженные учеными новые клетки – ганглиозные – содержат пигмент меланопсин и реагируют на световое воздействие: они наиболее чувствительны к свету синего спектра с длиной волны 470 нанометров. Свет возбуждает ганглиозную клетку, затем электрический импульс по тонкому нервному стволу – ретиногипоталамическому тракту – передается в супрахиазменные ядра гипоталамуса (они удачно расположены совсем рядом со зрительным нервом). В супрахиазменных ядрах имеется отдельная группа нейронов, которые воспринимают это раздражение и передают его на другой тип нейронов СХЯ, генерирующих постоянный ритм. При этом происходит подавление транскрипции (считывание) часовых генов в ядрах этих нейронов, и период их активности корректируется в соответствии с информацией об уровне освещенности.

Как же быть людям, которые длительное время находятся в условиях постоянного освещения или отсутствия света, например работающим только в ночную смену или живущим за Полярным кругом? Оказывается, что кроме световой информации и другие воздействия могут влиять на работу внутренних часов: это выделение в кровь гормона шишковидной железы мелатонина, а также социальное взаимодействие, режим питания, внутренняя температура и физическая нагрузка.

Гормон мелатонин является уникальным веществом, исключительно тесно связанным с биологическими ритмами. Его выработка приурочена к темному времени суток: концентрация мелатонина в крови начинает возрастать вечером, около 20 часов, достигает максимального значения в 2 часа ночи, а затем снижается. Утром, когда первые лучи солнца попадают на сетчатку глаза, секреция мелатонина почти полностью подавляется. Секреция мелатонина очень чувствительна к уровню освещения. Было показано, что ничтожный световой поток в 12 люкс способен уменьшать его выработку. Высокоинтенсивное освещение потоком света в 1500 люкс приводит к прекращению выработки мелатонина в течение 15 минут. При этом важную роль играет длина световой волны. В наибольшей степени секреция мелатонина подавляется светом синего спектра, поскольку именно к нему чувствительны меланопсинсодержащие клетки сетчатки. В связи с широким распространением телевизоров с большими экранами и всевозможных гаджетов с голубой подсветкой вопрос подавления секреции мелатонина при вечернем времяпровождении приобретает все большее медицинское звучание. Так, было показано, что использование планшетного компьютера в течение двух часов приводит к уменьшению вечерней секреции мелатонина на 20 %.

Свое название мелатонин получил благодаря американскому дерматологу Аарону Лернеру, который в 1958 г. выделил его из мозга коров, переработав 250 000 эпифизов (около 37 кг вещества). Профессор Лернер изучал причины возникновения витилиго – заболевания, сопровождающегося потерей кожного пигмента, из-за чего на коже образуются светлые пятна. Он предположил, что витилиго может вызывать вещество, вырабатываемое эпифизом, поскольку раньше было показано, что применение экстракта эпифиза приводит к обесцвечиванию кожи головастиков. Получив достаточное количество этого гормона, Лернер смог начать эксперименты и наблюдать, как при добавлении мелатонина гранулы красящего пигмента меланина, расположенные в клетке хаотично (это обеспечивает ее цвет), собираются все вместе вокруг ядра. При этом бо́льшая часть клетки становится прозрачной, лишенной пигмента. Принимая во внимание этот эффект, ученый назвал полученное им вещество мелатонином, подчеркивая «тонизирующее» влияние данного гормона на гранулы пигмента меланина.

Большая часть – 80 % – мелатонина, циркулирующего в крови человека, вырабатывается эпифизом. Эпифиз представляет собой непарное образование, расположенное в глубине задних отделов полушарий мозга за таламусом (зрительным бугром). Эпифиз исчерчен продольными и поперечными бороздами, как шишечка, поэтому он еще называется шишковидной железой. Выделение мелатонина эпифизом после рождения ребенка быстро возрастает, достигая максимума в возрасте трех лет, после чего начинается постепенное уменьшение его секреции, продолжающееся в течение всей жизни человека. Снижение это плавное, резкое падение наблюдается лишь после полового созревания подростка. После 55 лет у большинства людей мелатонин выделяется в совсем незначительных количествах. В этом видят одно из объяснений, почему у пожилых людей чаще нарушаются биологические ритмы и развивается бессонница.

Филогенетическая (повторяющая эволюционное развитие видов) история эпифиза очень интересна. На заре эволюции он выполнял функции «третьего глаза», снабжая животных информацией об уровне освещенности, что позволяло им приспосабливать свои биологические ритмы к окружающей обстановке. По структуре «третий глаз» был практически аналогичен двум другим и расположен наверху черепа, под истонченной костью. Через это «окошко» в пинеальный орган и проникал свет. Этот необычный орган сохранился у холоднокровных позвоночных – у пресмыкающихся, земноводных и рыб. «Глазное» происхождение эпифиза доказывается и тем, что, даже потеряв свойственную глазам структуру, эпифиз птиц может воспринимать информацию об уровне освещенности непосредственно через кости черепа.

У млекопитающих же случилось «горе от ума» – разросшиеся полушария головного мозга оттеснили «третий глаз» в глубину мозга. При этом он потерял глазоподобную структуру, сморщился и приобрел шишковидный вид. Тем не менее необходимость в получении информации об уровне освещенности у млекопитающих осталась, что привело к появлению уже в сетчатке «настоящих» глаз нового типа рецепторов (меланопсиновых) и формированию ретиногипоталамического тракта – нервного пути, ведущего из сетчатки непосредственно к нейронам супрахиазменных ядер.

Эта история объясняет и странный путь, по которому происходит регуляция синтеза мелатонина у млекопитающих. Чтобы подать сигнал для вечернего увеличения секреции мелатонина, информация об изменении освещенности в виде электрического импульса сначала поступает в супрахиазменные ядра, затем идет по симпатическому пути через гипоталамус, ствол мозга, спинной мозг и верхний шейный симпатический узел, а потом через постганглионарные волокна и отверстие в черепе попадает в эпифиз, вызывая соответствующую реакцию.

Мелатонин участвует в регуляции биологических ритмов, воздействуя на рецепторы, которые расположены в различных внутренних органах. Однако максимальная плотность этих рецепторов наблюдается как раз в супрахиазменных ядрах, т. е. именно внутренние часы максимально «заинтересованы» в его воздействии. Получается, что, с одной стороны, супрахиазменные ядра первыми получают сигнал о снижении уровня освещенности и дают сигнал эпифизу, чтобы он начал вырабатывать мелатонин. С другой – они являются и главным получателем гуморального сигнала о начале темного времени суток (о чем им и так уже известно благодаря прямой связи с сетчаткой), который доставляется мелатонином. Предполагают, что существование дополнительного канала управления позволяет внутренним часам работать стабильнее, лучше подстраиваться под ежедневные изменения светового режима.

Кроме синхронизирующего влияния на супрахиазменные ядра мелатонин оказывает действие на внутренние органы. У клеток мышц, печени, желудка и сердца есть собственные внутренние часы, регулирующие суточную периодичность их деятельности. Мелатонин, проникая к ним по кровотоку, дает дополнительный сигнал о том, что нужно переключаться на «ночной режим» работы. Если изолировать любую клетку одного из этих органов – поместить ее в питательную среду, она все равно будет изменять свою суточную активность, которую можно оценить по степени биолюминисценции (свечения тканей живых существ). Мелатонин так же, как и в случае с супрахиазменными ядрами, позволяет клетке синхронизировать собственный ритм покоя и активности с астрономическим временем, обеспечивая разные режимы работы внутренних органов днем и ночью.

Наличием рецепторов мелатонина в матке объясняется тот факт, что роды у женщин проходят в основном в темное время суток. Мелатонин, воздействуя на соответствующие рецепторы, повышает чувствительность мышц матки к главному гормону родов – окситоцину. Интересно, что использование яркого света, подавляющего секрецию мелатонина, понижает сократительную активность матки ночью и удлиняет роды. Это следует учитывать, чтобы обеспечить оптимальные условия пребывания рожениц в палатах.

Существуют сезонные колебания секреции мелатонина, отражающие изменение длительности светлого периода суток в различные времена года. Репродуктивный цикл многих млекопитающих связан с определенным периодом, когда темное время занимает большую часть суток, что обеспечивает безопасность родов и выкармливания потомства. У овец, например, репродукция максимальна в осенние месяцы, когда длина светового дня составляет 10–12 часов. Поступление в организм овцы дополнительного мелатонина при использовании подкожных имплантов позволяет повысить плодовитость этих животных. То же касается и яйценоскости кур.

Кроме воздействия на биологические ритмы мелатонин обладает еще целым рядом разнообразных эффектов. Несмотря на положительное влияние на репродукцию животных, у людей он, наоборот, замедляет половое созревание. Это было обнаружено у детей с мелатонинпродуцирующими опухолями эпифиза. Факт, что секреция мелатонина у людей до периода полового созревания возрастает, а после него начинает неуклонно снижаться, породил гипотезу о том, что одной из важных функций мелатонина является обеспечение относительно ровного темпа полового созревания путем мягкого «притормаживания» репродуктивной системы. После того как созревание произошло, в данной функции гормона отпадает надобность и мелатонинпродуцирующие клетки начинают отмирать. Этим можно объяснить ускорение снижения секреции мелатонина у людей после достижения возраста 15 лет.

Кроме гормональной (гормоны – это биологически активные вещества, вырабатываемые эндокринными железами и оказывающие регулирующее влияние на обмен веществ и физиологические функции) у мелатонина есть еще ряд негормональных функций. Этот гормон вырабатывается не только шишковидной железой, но и клетками кишечника, а также в других органах. Мелатонин присутствует и в растениях, например в зверобое. В тех случаях, когда мелатонин вырабатывается не эпифизом, а также у растений он выступает не в качестве гормона, а в качестве биологического активного вещества – антиоксиданта для местного, можно так сказать, употребления.

Молекула мелатонина обладает свойствами скэвенжера (очистителя) свободных радикалов. Мелатонин в силу своей липофильности (жирорастворимости) легко проникает в любые клетки организма и охотно вступает в реакции со свободными радикалами (активными формами кислорода) – побочным продуктом неэффективных химических реакций. Одна молекула мелатонина в процессе деградации способна захватить до 10 свободных радикалов, поэтому антиоксидантное действие этого вещества очень выражено: оно, например, в два раза сильнее, чем у витамина Е (токоферола). Предполагают, что антиоксидантное действие было самой первой функцией мелатонина, появившейся в процессе эволюции. Мелатонин появился более 2,5 млрд лет назад в существующей и поныне пурпурной бактерии Rhodospirillum rubrum, чтобы обеспечить ей защиту от перенасыщенного кислородом окружения, которое возникло в результате события, известного как «кислородная катастрофа», когда в результате активной деятельности фотосинтезирующих микроорганизмов в атмосфере резко увеличилось содержание этого элемента. Наличие мелатонина в относительно больших концентрациях в семенах растений также объясняют его антиоксидантным действием, защищающим генетический аппарат зародыша от повреждения.

У людей антиоксидантный эффект мелатонина используют для облегчения побочных эффектов химиотерапии при лечении опухолей; для повышения эффективности экстракорпорального оплодотворения, чтобы повысить выживаемость ооцитов (оплодотворенных яйцеклеток); для защиты сердечной мышцы от окислительного стресса после проведения операций аортокоронарного шунтирования.

Кроме светового воздействия и применения препаратов мелатонина для того, чтобы привести внутреннее время в соответствие с астрономическим, важную роль играет социальное взаимодействие. Каким бы ни был собственный суточный ритм человека, на работу или учебу ему приходится приходить в одно и то же время и начинать ее одновременно с другими, столь же уникальными в хронобиологическом плане личностями. Поэтому у людей сигналом, задающим время (в хронобиологии для этого используется немецкое слово zeitgeber – времязадатель), являются часы – универсальный синхронизатор жизни человеческого общества. Если стрелки часов незаметно для человека перевести, то он все равно будет подстраивать свою повседневную активность под определенное время. Американский исследователь сна Натаниэль Клейтман в своих первых исследованиях показал, что при необходимости человек может приучить себя жить и при 28-часовых сутках, причем у некоторых людей действие этого социального времязадателя позволяет изменить и суточный ритм температуры, который считается более устойчивым.

Световое воздействие все равно остается самым сильным времязадателем для человека. Это было продемонстрировано в 2007 г. одним из учеников Юргена Ашоффа Тилем Реннебергом с коллегами. Исследователи создали интернет-страничку, с помощью которой смогли быстро опросить десятки тысяч жителей Германии и других европейских стран по поводу времени, когда они обычно ложатся спать и встают в свободные от работы и учебы дни. Оказалось, что для европейских жителей не время данного часового пояса, а время естественного восхода и захода солнца является главным сигналом, от которого зависит время смены состояний сна и бодрствования. Это время постепенно и вполне предсказуемо изменяется в направлении от восточной границы часового пояса к западной, особенно у людей, живущих в небольших населенных пунктах. Если же человек меньше двух часов проводит вне помещений, т. е. не получает достаточной дозы яркого света, его цикл сон-бодрствование начинает существенно запаздывать. Тогда более важными времязадателями для него оказываются социальные стимулы в форме, например, установленного рабочего расписания.

У животных в качестве дополнительного времязадателя может выступать время кормления – если его сместить на более поздние часы, то животное будет засыпать и просыпаться позднее. Физическая активность также может выполнять функцию времязадателя для животных и человека. Показано, что физическая нагрузка в раннее вечернее время (до начала секреции мелатонина) ускоряет засыпание, а в позднее – откладывает его.

Эффективность применения световых или несветовых (нефотических) воздействий определяется не только их дозой. Большое значение имеет время суток, когда это влияние осуществляется. Наибольший эффект имеют воздействия, приближенные к переходной точке изменения суточного времени со светлого на темное и наоборот. Если использовать яркий свет в середине дня или в середине ночи, то никакого изменения работы внутренних часов мы не обнаружим – ритм «не сдвинется с места». Использование яркого света в вечернее время приведет к тому, что внутренние часы будут «переведены» на более позднее время – сон будет наступать и заканчиваться позднее. Если же «засвечивать» человека ранним утром, то, наоборот, на следующий вечер сон наступит раньше. Графическая функция, которая отражает зависимость степени смещения биологического ритма от времени стимуляции, называется кривой фазового отклика. При использовании мелатонина в качестве времязадателя эта кривая примет обратный вид. Прием мелатонина в вечерние часы ускорит наступление сна, а в утренние – приведет к тому, что на следующую ночь сон наступит раньше. Свойства кривой фазового отклика используются в тех случаях, когда требуется быстро изменить неправильный биологический ритм, подстроить его под ритм окружения, например после перелета через несколько часовых поясов.

Синдром смены часовых поясов, или джетлаг (от англ. jet – реактивный, lag – запаздывание), является моделью нарушения суточного ритма сон-бодрствование у человека. Высокие скорости современных самолетов позволили людям быстро перемещаться на новое место, время в котором значительно отличается от привычного. При этом внутренние часы человека остаются в «домашнем» режиме – они требуют от него ложиться спать или пробуждаться в привычное время, даже если это уже неудобно для жизни на новом месте. Из-за этого он будет ощущать сонливость или, наоборот, не хотеть спать в нужное время.

При синдроме смены часовых поясов нарушается не только цикл сна-бодрствования – все другие ритмы организма тоже продолжают работать в домашнем режиме, поскольку основной пейсмейкер (водитель ритма) продолжает функционировать по-старому. Это проявляется в ритме изменения температуры тела, внимания, запоминания, выделения гормонов и многих других. Конечно, постепенно внутренние часы подстроят свой ритм под условия нового места, поскольку световые и социальные времязадатели будут постоянно «напоминать» им об этом. На это уйдет довольно много времени. Существует приблизительное правило, что на каждый пересеченный часовой пояс для адаптации на новом месте требуется один день. Так, при перелете из Москвы в США (Восточное побережье) на полное привыкание к новому времени потребуется восемь суток, а при перелете в Улан-Удэ – только пять. Цикл сон-бодрствование обычно восстанавливается одним из первых, но еще несколько дней требуется для синхронизации других биоритмов с местным временем. Около 30 % людей вообще не испытывает проблем с приспособлением к новым временны́м условиям. Это связано с тем, что они имеют относительно «слабый» пейсмейкер, который легко подчиняется условиям, диктуемым времязадателем на новом месте. Остальным же путешественникам для ускорения приспособления к новым условиям может потребоваться прием препаратов мелатонина или применение яркого света в зависимости от того, в каком направлении произошел перелет и, соответственно, сдвиг фазы биоритмов.

Легче всего справиться с джетлагом при перелете в западном направлении. Переместившись, например, из Москвы в Лондон, мы обнаружим, что наши внутренние часы «идут вперед» – нам уже хочется спать, в то время как окружающие только отправляются ужинать и весело проводить время. Для того чтобы синхронизировать свою жизнь с новой обстановкой, бывает достаточно продлить время бодрствования, активно прогуляться (интенсивное общение, физическая активность поздним вечером сдвигают ритмы вперед, то же самое происходит, если больше находиться в местах с ярким освещением). Справляться с последствиями перелета в восточном направлении сложнее. Это связано с тем, что в этом случае наш биологический ритм отстает от расписания жизни людей на новом месте. Прилетев из Москвы в Иркутск, мы обнаружим, что в то время, когда у нас энергия «бьет ключом», жители Иркутска уже зевают и собираются спать. Сложность приспособления к перелету в восточном направлении заключается как раз в том, что заставить себя уснуть раньше почти невозможно. При этом и пробуждение утром будет происходить на пять часов позже, чем у окружающих. Помочь в этом случае могут мелатонин и яркий свет. Препарат мелатонина, принимаемый в то время, когда он должен начать вырабатываться на новом месте (в 21 час, в то время как наш собственный мелатонин начнет вырабатываться на пять часов позже), «обманывает» наши внутренние часы и заставляет их быстрее переключаться на режим сна. Утром на новом месте рекомендуется обеспечивать максимальный уровень освещения. Яркий солнечный свет воздействует в противоположном направлении – сдвигает биоритмы на более раннее время.

Частными случаями синдрома смены часового пояса являются синдромы ранней фазы сна и задержки фазы сна. Эти состояния являются возрастзависимыми. Первое чаще случается у пожилых людей, второе – у молодых. В уже упоминавшемся исследовании времени укладывания и подъема жителей Западной Европы, проведенном мюнхенским коллективом Тиля Реннеберга, была обнаружена зависимость особенностей хронотипа от возраста. Хронотип – это как раз и есть разделение на пресловутых «сов» и «жаворонков». В быту «совами» называют людей, которые ложатся поздно и поздно просыпаются, а «жаворонками» – тех, кто рано ложится и рано встает. Ученые выделяют еще и промежуточный хронотип – «голубиный». «Голубям» все равно, когда ложиться, а когда вставать, они могут легко менять свои привычки. Такое утреннее или вечернее предпочтение, определяющее хронотип, обусловлено различием фазы циркадианного (имеющего период около 24 часов) пейсмейкера. У кого-то внутренние часы немного забегают вперед – это «жаворонки», у кого-то запаздывают – это «совы». Определить свой хронотип достаточно просто: существуют распространенные анкеты, наиболее известной из которых является опросник, предложенный Джеймсом Хорном и Олафом Остбергом в 1976 г. По результатам использования этой анкеты только 20 % людей в общей популяции имеют явное утреннее или явно вечернее предпочтение, остальные же относятся к «голубям». По-видимому, особенности хронотипа заложены не в супрахиазменных ядрах, а гораздо глубже. В 2008 г. хронобиологи из клиники Шарите в Берлине показали, что период биолюминисценции клеток кожи, находящихся вне организма в питательной культуре, отличается у людей-«сов» и людей-«жаворонков» почти на один час. Это исследование говорит о том, что хронотипические отличия закодированы в генетическом аппарате клетки.

Несмотря на простоту определения хронотипа, механизмы его формирования окончательно не определены. Российский хронобиолог Аркадий Александрович Путилов считает, что за определение принадлежности к утреннему или вечернему типу отвечают несколько механизмов: сила самого пейсмейкера, уровень освещения, сила давления сна и индивидуальная способность сопротивляться сну. Если учитывать все эти факторы, то люди разделятся еще на несколько хронотипов – на тех, кто утром ведет себя как «сова», а вечером – как «жаворонок», и тех, кто вечером ведет себя как «сова», а утром – как «жаворонок», причем дело здесь не в потребности в более коротком или более длительном сне, а именно в индивидуальных особенностях биологического ритма. Так что бинарная оценка хронотипа с разделением на «жаворонков» и «сов» ученым уже кажется слишком примитивной.

Но вернемся к исследованию Реннеберга. В результате проведенного им опроса было обнаружено, что показатели «утреннего» и «вечернего» предпочтения изменяются с возрастом. После рождения человека в течение нескольких лет фаза биологических ритмов, в том числе и сна, сдвигается все больше и больше в направлении вперед – ребенок, а затем и подросток все больше «совеют». В определенный момент фаза биоритмов начинает смещаться в противоположном направлении. Критическая точка, в которой происходит это изменение, отличается в зависимости от пола: у женщин она составляет 19,5 года, у мужчин – 20,9 года. Исследование мюнхенских хронобиологов показало, что склонность молодых людей подолгу гулять или засиживаться ночью за компьютером является не следствием их «распущенности», пренебрежения к правилам здорового образа жизни, а отражением глубинных механизмов работы биологических ритмов. Практическим применением обнаруженных закономерностей мог бы стать перенос школьных занятий на более позднее время, поскольку сдвиг фазы сна вместе с необходимостью раннего пробуждения, чтобы успеть на уроки, приводит к тому, что продолжительность сна школьников сокращается, и это влияет на их способность к усвоению материала. После прохождения определенной Реннебергом возрастной точки люди становятся все больше и больше «жаворонками»; неудивительно, что пожилые люди имеют склонность к раннему укладыванию вечером в постель и раннему пробуждению утром.

В том случае, когда сдвиг фазы ритма в ту или другую сторону оказывается слишком большим, человек начинает испытывать проблемы со здоровьем или социальной деятельностью. Крайним случаем возрастного «жаворонковения» является синдром ранней фазы сна, когда пожилой человек просыпается ночью (например, в 3–4 часа после полуночи) и не может уснуть. Вечером он испытывает большое давление сна, задремывает перед телевизором, а после полуночи внутренние часы уже «трубят подъем», поскольку биоритм этого человека смещен на слишком раннее время. Существует генетически обусловленное заболевание – семейный синдром преждевременной фазы сна, при котором выявлена мутация в области часового гена PER2, приводящая к замене аминокислот в кодируемом им белке HPER2.

Еще чаще специалисты по сну сталкиваются с другой разновидностью сдвига фазы биологических ритмов – синдромом задержки фазы сна. Это состояние чаще встречается у молодых людей и служит источником проблем в учебном заведении или на работе. При синдроме задержки фазы сна, несмотря на все усилия, человек засыпает довольно поздно, например в 3 часа ночи, и просыпается тоже значительно позднее, чем позволяет его расписание. Такое нарушение сна связано со сдвигом фазы биологических ритмов на более позднее время. Для коррекции нарушений биологических ритмов врачи используют те же методы влияния на их фазу, как и при синдроме смены часового пояса: чтобы ускорить засыпание, применяется мелатонин и свет в утреннее время, а чтобы его отсрочить – световое воздействие и физические упражнения вечером.

В последнее время получил распространение такой термин, как «социальный джетлаг». Это рассинхронизация биологических ритмов человека с требованиями внешнего окружения, как, например, у школьников, которые не высыпаются из-за положенной им по возрасту «совости». Если следовать концепции «социального джетлага», то даже на уровне отдельной семьи – «первичной ячейки общества» – мы обречены на страдание, поскольку у каждого из ее членов биологические ритмы не будут соответствовать другим. Как же спастись, не случится ли «хроноцид» (другое красивое околонаучное слово, использующееся в средствах массовой информации)?

Оказывается, что не все так ужасно и мы не должны страдать из-за различия наших биоритмов. Природа позаботилась и об этом. Разгадка, как всегда, кроется в малозаметных на фоне общего медийного шума деталях. Несмотря на то что учеными была продемонстрирована генетическая и возрастзависимая обусловленность хронотипа, оказывается, что вам еще рано объяснять начальнику, что вы «по жизни» сова и на работу рано приходить не сможете. Проведенное еще в 1998 г. исследование определило относительную роль упомянутых факторов в формировании хронотипа. Оказалось, что генетика определяет только 54 % выбора – быть человеку «совой» или «жаворонком». 3 % обеспечивается влиянием фактора возраста, а за 43 % отвечают внешняя среда (к которой относится тот же начальник) и неизвестные пока факторы.

Итак, суточный ритм сна-бодрствования, как и все другие ритмы, находится под управлением внутренних часов организма, которые у людей представлены супрахиазменными ядрами. Эти ядра выполняют функцию главного пейсмейкера, т. е. задают основной ритм и корректируют вспомогательные. Коррекция осуществляется посредством нервной системы и гормона мелатонина. Она должна проводиться ежесуточно, поскольку период внутренних часов живой клетки не вполне соответствует периоду вращения Земли. Главным воздействием, которое позволяет внутренним часам подстраивать наши биоритмы под астрономическое время, является свет, важную роль также играют социальное взаимодействие и выделение мелатонина. Эти же времязадатели используются в медицине при необходимости сместить фазу биологических ритмов в ту или иную сторону при их рассогласовании, например при быстром перемещении через несколько часовых поясов.