Одна из самых незначительных загадок науки заключается в том, почему мыши любят крутить колесо. Каждый владелец домашней крысы или мыши, также, как и любой человек, наблюдавший за этими животными в зоомагазине, наверняка видел, с каким энтузиазмом они бегают в колесе. Что заставляет их бежать? Маловероятно, что этим беднягам просто нечего делать. Люди рассказывают, что видели диких мышей, бегающих в старом колесе, брошенном в гараже, или лабораторных крыс, убегавших из клеток только для того, чтобы залезть на колесо. Эти забавные истории подкрепляются результатами экспериментов, в которых биологи расставляли крутящиеся колеса в местах естественного обитания грызунов и снимали происходящее скрытой камерой. Ученые наблюдали, как дикие мыши взбирались на колесо, спрыгивали с него, а потом залезали вновь. Как подростки, которые тратят с трудом заработанные деньги на игровые автоматы, так и грызуны готовы «поработать» за возможность побегать в колесе. А если к колесу прикрепляют тормоза, крысы нажимают на рычаг, чтобы отсоединить тормоза и разогнаться. У этого занятия есть даже темная сторона. Если крыс ограничивают в пище, бег в колесе может быть опасен для их здоровья. Находящиеся на диете крысы бегают в колесе гораздо активнее по сравнению с нормально питающимися крысами, не имеющими свободного доступа к колесу; в результате у них возникают дополнительные проблемы со здоровьем, и повышается уровень смертности.

Сможем мы разгадать эту маленькую тайну или нет, но маниакальное желание мышей, крыс и хомяков побегать в колесе помогло нам сильно продвинуться в понимании того, как мозг определяет время, по крайней мере, время суток. Представленный на рис. 3.1 график называется актограммой и отражает движение мыши в колесе. Каждый раз, когда колесо совершает полный круг, прибор рисует вертикальную черточку. Для наглядности и во избежание промежутков на графике данные для следующего дня показаны справа и внизу по отношению к данным каждого текущего дня. Черно-белая полоска вверху отражает 24-часовой цикл с включенным и выключенным светом. Мыши и крысы — ночные животные, поэтому они предпочитают бегать в колесе ночью, но в лаборатории их «ночь» может быть нашим днем, т. к. биологи часто изменяют световой цикл животных, чтобы студентам не приходилось работать по ночам. Судя по графику, как только выключают свет, мыши забираются на колесо и начинают бегать, спрыгивая и вновь возвращаясь на протяжении всей ночи. Через несколько дней после начала эксперимента ученые полностью отключали свет. Но, как следует из графика, даже при отсутствии внешних сигналов относительно времени суток мыши продолжали следовать обычному суточному ритму со сменой активности и покоя. Однако в полной темноте происходило что-то интересное: длительность суточного цикла изменялась от привычных 24 ч до чуть более короткого периода; это видно по постепенному сдвигу графика влево. Таким образом, по крайней мере у мышей, цикл сна и бодрствования не соответствует в точности 24 ч.

Рис. 3.1. Актограмма движения мыши в колесе. Ночная активность мыши отражается в виде вертикальных черных штрихов, соответствующих полному обороту колеса. Если мыши постоянно находятся в темноте, их циркадный ритм сохраняется, но его период снижается до 23,5 ч, что видно по смещению графиков влево. Для наглядности и во избежание промежутков на графике данные для каждого следующего дня показаны справа и внизу по отношению к данным текущего дня. Воспроизводится с модификациями в соответствии со статьей Yang et al., 2012.

На протяжении тысячелетий считалось, что суточные вариации длительности сна и бодрствования определяются внешними сигналами, главным образом, временем заката и восхода. Однако эксперименты такого типа, как описан на рис. 3.1, показали, что даже при отсутствии внешних сигналов у животных продолжается привычный ритм сна и бодрствования, питания и изменений температуры тела. Такая цикличность означает, что где-то в организме существуют внутренние часы, отсчитывающие циркадный (circadian) ритм жизни (circa означает «около», а dian означает «день»).

Насколько точны эти внутренние (биологические) часы, и как их сопоставить с часами, сделанными руками человека? Главные характеристики любых часов — как биологических, так и рукотворных — стабильность хода и точность. Стабильность отражает среднее отклонение показаний за множество циклов, тогда как точность указывает на близость показаний часов к эталонному значению. Если колебание маятника должно совершаться за 1 с, а средний период колебания составляет 0,8 с, такие часы нельзя назвать очень точными (погрешность составляет 20 %). Но если за десятки тысяч колебаний минимальный и максимальный период колебания остается в пределах от 0,79999 до 0,80001 с, стабильность хода таких часов очень высока. Как следует из рис. 3.1, период циркадного ритма мышей не соответствует в точности 24 ч, а ближе к 23,5 ч. Таким образом, по отношению ко времени вращения планеты биологические часы мышей все же достаточно точные (отклонение составляет около 2 %). У животных, ведущих ночной образ жизни, период циркадного ритма обычно чуть меньше 24 ч, а у животных, ведущих дневной образ жизни, таких как человек, он чуть больше 24 ч. А вот стабильность биологических часов весьма показательна. Это видно из рис. 3.1: сдвиг к более раннему началу активности примерно одинаков изо дня в день. Исследования показывают, что при жизни в полной темноте стандартное отклонение времени начала активности мышей не превышает 10–20 мин, что для периода в 23,5 ч составляет около 1 %.

Именно эта удивительная стабильность циркадного ритма, по-видимому, позволяет некоторым людям ежедневно просыпаться в одно и то же назначенное время. Вот что писал об этом Уильям Джеймс в трактате «Принципы психологии»: «Всю жизнь меня поражало, что каждую ночь и каждое утро я просыпаюсь в одно и то же время с точностью до минуты». Однако в лабораторных экспериментах такая удивительная стабильность наблюдается далеко не всегда. По-видимому, самопроизвольное пробуждение отчасти связано со способностью спящего мозга улавливать какие-то внешние сигналы. Тем не менее, как мы увидим в главе 7, стабильность в 1 % превышает стабильность часовых механизмов, создававшихся часовщиками вплоть до XVII в., когда Христиан Гюйгенс изобрел новые часы с маятником.

Циркадный ритм, наблюдающийся без воздействия каких-либо внешних сигналов, называют свободным циркадным ритмом. Изучение свободного циркадного ритма у людей осложняется тем, что для таких экспериментов нужны добровольцы, соглашающиеся жить в полной изоляции от внешнего мира на протяжении многих дней или даже месяцев. В одном из самых знаменитых экспериментов такого рода в 1972 г. французский геолог Мишель Сифр шесть месяцев прожил в пещере в Техасе. Эксперимент был выполнен в рамках одного из проектов НАСА, предпринятого с целью изучения влияния длительной изоляции на тело и мозг участников будущих межпланетных экспедиций. Сифр расположился в пещере глубоко под землей, куда ему поставляли воду и пищу, и где установили оборудование, регистрировавшее его режим сна. Освещенность и температура в пещере никак не менялись в зависимости от времени суток на поверхности, так что Сифр никак не мог определить время. Он жил в «свободном ритме», но, в отличие от лабораторных мышей, не был в постоянной темноте. В любой момент он мог позвонить на поверхность и попросить включить или выключить свет в пещере.

У мышей в подобных экспериментах не было выявлено явных признаков дискомфорта или физиологического стресса. Мы вполне можем представить себе диких мышей, по многу дней живущих в подвалах или пещерах в полной изоляции от каких-либо источников света. Кроме того, для грызунов зрение не так важно, как для людей. Крысы и мыши — ночные животные, и поэтому для ориентации в пространстве они в гораздо большей степени полагаются на уши и чрезвычайно сложно устроенные усики, чем на глаза. Люди переносят подобные эксперименты намного хуже. Сифр страдал от приступов депрессии, провалов в памяти, забывчивости и даже помышлял о самоубийстве. И его циркадный ритм совершенно нарушился. В первые дни он растянулся до 25 или 26 ч, затем стал очень изменчивым. Иногда сутки для Сифра растягивались на 48 ч: он спал по 16 ч и бодрствовал более 32 ч.

На 179 день Сифру объявили, что эксперимент закончен. Он был очень удивлен, поскольку считал, что пробыл в пещере 151 день, т. е. он ошибся на 16 %. Время для него растянулось, и его внутреннее ощущение течения времени замедлилось по сравнению с реальным временем. Учитывая тяжесть нахождения в изоляции, трудно предположить, что он недооценивал проходящие часы.

Такая форма растяжения времени наблюдалась и в других экспериментах по изоляции людей. В 1988 г. Вероника Ле Гуэн прожила в пещере во Франции 111 дней, а когда вышла на поверхность, считала, что прошло только 42 дня! В 1989 г. итальянский дизайнер интерьеров Стефания Фоллини провела четыре месяца в пещере на глубине 50 футов. Но сама она считала, что пробыла под землей только два месяца. В 1993 г. итальянский социолог прожил в подземной пещере целый год, а когда вышел на поверхность 5 декабря, то считал, что было 6 июня.

Ограниченность таких экспериментов заключается в том, что участвующие в них люди, возможно, не полностью отключены от внешних сигналов. В пещерах существует собственная биосистема; к примеру, там живут летучие мыши и насекомые, по поведению которых можно понять или почувствовать время на поверхности. Так, Сифр рассказывал о своих неудавшихся попытках подружиться с жившей в пещере мышью, а мышь, скорее всего, показывалась по ночам. Чтобы справиться с подобными ограничениями и избавить добровольцев и ученых от необходимости проводить долгое время в удалении от других людей, биологи осуществляют эксперименты в специализированных лабораториях или в бункерах.

В 1985 г. были опубликованы результаты экспериментов, в ходе которых 42 добровольца находились в изоляции от одной недели до одного месяца. В бункерах они жили в одиночных помещениях и не получали никакой информации относительно времени во внешнем мире. Они сами готовили себе еду и могли самостоятельно включать и выключать свет. Они должны были сообщать о времени пробуждения и отхода ко сну, а температуру их тела постоянно контролировали. По оценкам большинства участников эксперимент длился на 20–40 % времени меньше, чем на самом деле. Как и в экспериментах в пещерах (и в отличие от экспериментов с грызунами), циркадный ритм людей часто сбивался.

Цикл сна и бодрствования — не единственное свидетельство существования биологических часов. Многие физиологические показатели изменяются в зависимости от времени суток. Например, температура человеческого тела не всегда равна строго 36,6 °C. Она колеблется вокруг этот значения, обычно достигая максимума ранним вечером. У многих участников экспериментов цикл изменения температуры фактически оставался равным 24 ч, даже когда продолжительность цикла сна и бодрствования скакала от 20 до 40 ч. Это означает, что внутри нас существуют разные часы, и они не всегда идут синхронно.

В глубине мозга каждого человека есть структура, называемая гипоталамусом. А в глубине гипоталамуса, над перекрестом нервов (хиазмом), несущих информацию от левого и правого глаза, располагается супрахиазматическое (надперекрестное) ядро.

В 1970-х гг. стало известно, что у грызунов с повреждением супрахиазматического ядра полностью нарушается циркадный ритм сна и бодрствования. Они спят отрывочно как в ночное, так и в дневное время. Эти первые наблюдения позволили предположить, что супрахиазматическое ядро управляет циркадным ритмом. Доказательства появились в 1980-х гг. в результате серии новых экспериментов. Один из самых захватывающих экспериментов заключался в трансплантации мозга. У хомяков со свободным циркадным ритмом суточный цикл сна и бодрствования практически равен 24 ч. Однако существует мутация, приводящая к сокращению цикла до 20 ч. Если супрахиазматическое ядро действительно отвечает за циркадный ритм, по мнению ученых, пересадка этого органа может привести к смене 20- часового цикла на 24-часовой цикл.

Вообще говоря, подобного рода манипуляции с головным мозгом возможны только в научно-фантастической литературе. Однако супрахиазматическое ядро устроено достаточно просто и относится к тем немногочисленным отделам мозга, трансплантация которых вполне реальна. В отличие от большинства отделов мозга супрахиазматическое ядро является четко идентифицируемой структурой и получает сигналы всего из нескольких других областей. Кроме того, оно сообщается с другими частями мозга не только посредством электрических импульсов через хрупкие аксоны, которые не очень хорошо регенерируют, но и выделяет гормоны непосредственно в кровоток.

Исследователи повреждали супрахиазматические ядра хомяков двух типов и каждому типу пересаживали клетки другого типа. В результате они превратили хомяков с 24-часовым циклом в хомяков с 20-часовым циклом и наоборот. Таким образом, не тело или мозг хозяина управляют циркадным ритмом супрахиазматического ядра; все наоборот: небольшая группа из 10 000 супрахиазматических нейронов берет на себя контрольную функцию и сообщает хозяину, когда ему следует отправляться спать, а когда пора вставать и крутить колесо.

Является ли наличие головного мозга обязательным условием для существования циркадного ритма? Вовсе нет. Следование световым и температурным изменениям, вызванным вращением Земли, а также их предвидение играют настолько важную роль, что биологическими часами снабжены практически все живые существа.

Самые первые эксперименты по изучению свободного циркадного ритма проводились на растении мимоза стыдливая (Mimosa pudica), которое днем раскрывает листья, подставляя их к солнечному свету, а ночью закрывает. В 1729 г. французский астроном Жан-Жак Дорту де Меран перенес мимозу в темную комнату и обратил внимание, что на протяжении многих дней растение продолжало раскрывать и закрывать листья в соответствии с истинным временем суток. По-видимому, сам ученый не очень доверял своим результатам. Во времена де Мерана одна из важнейших научных задач заключалась в поисках способов определения времени суток в море, и трудно было поверить, что какое-то примитивное растение обладает собственным часовым механизмом. Де Меран заключил, что поведение растения определяется какими-то иными сигналами, такими как температура или неизвестные магнитные влияния, которые заставляют его раскрывать и закрывать листья. Ученым понадобилось более 200 лет, чтобы понять, что все растения и животные имеют внутренние часы, и даже индивидуальные клетки осциллируют в 24- часовом ритме.

Когда мы говорим, что индивидуальные клетки осциллируют, мы не имеем в виду, что они физически вибрируют, подобно кристаллам кварца, или раскачиваются вперед и назад, как маятник. В данном случае под осцилляцией понимают изменение концентрации внутриклеточных белков. Клетки — не статичные образования. В зависимости от выполняемой в конкретный момент работы в них очень сильно меняется концентрация различных белков. Например, клетки выстилки кишечника усиливают выработку пищеварительных ферментов каждый раз, когда мы едим. Аналогичным образом, при повышении концентрации глюкозы в крови клетки поджелудочной железы активируют синтез белков, задействованных в производстве инсулина.

Но клетки руководствуются не только внешними стимулами, у них есть свой внутренний ритм. Как и мыши, индивидуальные клетки тоже обладают свободным ритмом. При постоянстве температуры и биологической среды многие клетки придерживаются собственного циркадного ритма, что видно по увеличению и снижению концентрации некоторых белков в 24-часовом режиме. Наблюдать за этими осцилляциями можно с помощью хитроумных генно-инженерных манипуляций.

Светляки светятся по той причине, что синтезируют фермент люциферазу, который в присутствии субстрата (небольшой молекулы, называемой люциферином) испускает энергию в виде фотонов света. Ученые встраивали ген люциферазы в самые разные клетки — в бактерии, плесень, растения, фибробласты и, конечно же, в нейроны супрахиазматического ядра. Если транскрипцию гена люциферазы поставить под контроль белка, вырабатываемого в циркадном ритме, концентрация люциферазы в клетке тоже будет осциллировать. В результате такая клетка в буквальном смысле медленно разгорается и медленно затухает, чтобы вновь разгореться примерно через 24 часа.

Каким образом единичная клетка бактерии отслеживает время суток? Прежде чем ответить на этот вопрос, можно задать другой: зачем клетке нужно знать время?

В главе 7 мы поговорим о том, что без повсеместного внедрения точных часов не было бы промышленной революции. Конвейерные линии, где каждый рабочий выполняет специфическую функцию, требуют координированной работы большого числа людей. Но задолго до промышленной революции, примерно за миллиард лет до ее начала, эволюция уже создала биологические фабрики и решала проблемы координации процессов во времени. Наиболее важная конвейерная линия на планете Земля — это фотосинтез: серия биохимических процессов, в которых фотоны солнечного света взаимодействуют с множеством белков, что приводит к созданию устойчивых и богатых энергией молекул, самой известной из которых является глюкоза.

Цианобактерии — один из видов фотосинтезирующих организмов, а фотосинтез — работа дневная. Как никакой владелец завода не захочет платить рабочим, чтобы они просиживали на работе всю ночь и при этом ничего не делали, так и цианобактерии не могут растрачивать энергию на синтез белков фотосинтеза в ночное время. Однако необходимо, чтобы с первыми лучами солнца эти молекулы уже были готовы к работе для максимально эффективного использования доступной солнечной энергии. Эволюция решила эту задачу, изобретя биологический будильник, возвещающий о приближающемся восходе Солнца. Таким образом, одной из движущих сил эволюции циркадного ритма была необходимость точной координации клеточных функций с циклом смены дня и ночи, связанным с вращением Земли (рис. 3.2).

Рис. 3.2. Быстрые и медленные циркадные ритмы у цианобактерий. Циркадные ритмы двух штаммов цианобактерий с периодами приблизительно 23 и 30 часов. Бактерии были генетически сконструированы для излучения света способом, пропорциональным концентрации определенного белка. Когда эти штаммы вынуждены конкурировать друг с другом за ресурсы в условиях 23-часовой светлой темноты, 23-часовой штамм победит; напротив, если их поместить в 30-часовой цикл свет-темнота, 30-часовой штамм победит. (Адаптировано с разрешения Johnson et al., 1998.)

Эволюционное преимущество умения определять время суток (т. е. наличие хороших внутренних часов) было продемонстрировано в изящном эксперименте с разными штаммами цианобактерий. Представьте циркадные ритмы двух штаммов: один имеет короткий цикл около 23 ч, другой — более длинный, около 30 ч. Исследователи поместили оба штамма на одну чашку Петри с целью установить, какой из них в конечном итоге завоюет все пространство. Важно, что эксперимент был поставлен в двух вариантах: в одном варианте свет включали и выключали через каждые 11 ч, имитируя сутки длительностью 22 ч (что близко к естественному 23-часовому циклу для первого штамма), а в другом — через каждые 15 ч, имитируя сутки длительностью 30 ч. Через месяц выяснилось, что в тех условиях, где выдерживался 22-часовой ритм, доминировали бактерии с коротким суточным циклом. Напротив, в условиях 30-часового ритма преобладали бактерии с более длинным циклом. Понятно, что наличие 22-часового цикла при 30-часовой длительности суток или наличие 30-часового цикла при 22-часовой длительности суток приводило к несовпадению световой фазы и фазы активности клеток и, следовательно, к пониженной эффективности использования света. Таким образом, мало иметь биологические часы, необходимо, чтобы их период соответствовал естественному циклу внешних изменений. Только тогда организм получает эволюционное преимущество.

Таким образом, одно из преимуществ обладания внутренними часами заключается в оптимизации фотосинтеза, но, возможно, оно было не первым. Не менее важным для жизни является умение делиться и воспроизводиться. Ключевой этап клеточного деления заключается в репликации ДНК, в которой записаны все необходимые для жизни инструкции. Репликация ДНК чрезвычайно чувствительна к ультрафиолетовому (УФ) излучению (именно по этой причине многократные солнечные ожоги повышают риск развития рака кожи, и именно поэтому на тюбиках солнцезащитного крема указаны единицы экранирующей активности). Ультрафиолетовое излучение чрезвычайно опасно для одноклеточных существ, у которых нет таких защитных органов, как кожа, наполненная поглощающим ультрафиолет пигментом меланином. Клетки, делящиеся в условиях сильного УФ-излучения, рискуют повредить свою ДНК, а ночью этот риск снижается. По этой причине некоторые биологи выдвинули так называемую гипотезу «спасения от света», которая гласит, что поначалу эволюция циркадного ритма была направлена на то, чтобы заставить клетки делиться в ночное время.

А теперь вернемся к главному вопросу: как отдельно взятая клетка определяет точное время суток? Первый шаг в поисках ответа на этот вопрос сделали лауреат Нобелевской премии Сеймур Бензер и его студент Рон Конопка из Калифорнийского технологического института в начале 1970-х гг.

Лаборатория Бензера изучала знаменитую фруктовую муху Drosophila melanogaster, которая, как и все мухи, начинает жить в виде личинки. Сначала личинка окружает себя оболочкой (пупарием) и превращается в куколку, а из куколки через несколько дней появляется взрослое насекомое. Процесс высвобождения из оболочки строго координирован по времени. Насекомые вылупляются в ранние утренние часы, чтобы избежать высушивания под действием солнечных лучей. С целью изучения генетики внутренних часов Конопка искал мутации, которые заставляли бы насекомое вылупляться в неправильное время. Он нашел три такие мутации: одна возникала в разное время на протяжении жизни, вторая возникала рано, а третья поздно. В полной темноте все мутанты вели себя примерно одинаковым образом: взрослые особи были либо активны в разное время суток с разными интервалами, а их свободный цикл составлял 19 ч, либо имели аномально длинный цикл протяженностью целых 28 ч. Конопка обнаружил, что все три мутации происходили в одном и том же гене, который он назвал Period.

Через 10 лет исследовательская группа под руководством Майкла Росбаша выделила этот ген и определила его нуклеотидную последовательность. В дальнейшем были обнаружены другие гены, играющие ключевую роль в функционировании биологических часов; таким генам часто дают соответствующие названия, например, Clock, Cycle или Timeless.

Процессы с участием этих генов и их продуктов, приводящие к установлению стабильного циркадного ритма, весьма сложны, но общий принцип прост. Настолько прост, что понять его можно на примере устройства туалетного бачка. Каждый раз, когда вы спускаете воду в туалете, бачок вновь заполняется водой, но перелива не происходит. Когда вода находится на нижнем уровне, соединенный с клапаном поплавок опускается, клапан открывается, и уровень воды поднимается. При этом поплавок поднимается вверх и закрывает клапан. Если проделать в бачке маленькое отверстие, через которое постоянно могла бы подтекать вода, поплавок в какой-то момент опустился бы достаточно низко, чтобы открыть клапан и заполнить бачок. Так происходят осцилляции: медленное снижение уровня воды в какой-то момент приводит к открытию клапана, уровень воды повышается, и приток воды прекращается. Затем вода снова начинает медленно подтекать, и процесс возобновляется. И если ваш туалет среди ночи по какой-то причине начинает издавать звуки, вполне вероятно, что он осциллирует в результате протечки клапана.

Биологические часы устроены сложнее туалетного бачка, но принцип тот же, хотя механизм, управляющий действием этих часов, носит труднопроизносимое название: саморегулирующаяся транскрипционно-трансляционная петля обратной связи. Транскрипционная — потому что закодированные в ДНК гены транскрибируются в РНК. Трансляционная — потому что эти молекулы РНК транслируются в белки. А «саморегулирующаяся петля обратной связи» означает, что эти белки ингибируют дальнейшую транскрипцию тех самых генов, которые привели к их синтезу (тем самым закрывая водяной клапан). Один такой белок носит название Period — это продукт гена Period. Концентрация белка в клетке постепенно нарастает, и в какой-то момент сам белок отключает ген, с которого синтезируется. Затем белок постепенно разрушается, ген вновь начинает действовать, и это приводит к росту концентрации белка. Догадайтесь, сколько времени длится этот цикл?

Но циркадный ритм — это не просто осцилляции с частотой около 24 ч; такие осцилляции должны быть устойчивыми. Часовых дел мастера XVIII в. боролись с влиянием температуры на ход механических часов и маятников, и эволюции тоже пришлось решить проблему ускорения биохимических реакций с повышением температуры. Мы до сих пор не очень хорошо понимаем, как эктотермные организмы, такие как цианобактерии, растения или мухи, поддерживают 24-часовой ритм жизни, невзирая на суточные и сезонные колебания температуры. Но мы знаем, что с саморегулирующейся транскрипционно-трансляционной петлей обратной связи взаимодействует множество других генов и белков, и некоторые из них, по-видимому, компенсируют влияние температуры.

Радиостанция WWVB, расположенная поблизости от Форт-Коллинза в Колорадо, передает очень важную, но чрезвычайно скучную информацию. На протяжении всего дня она посылает сигналы всемирного координированного времени для всех часов во всей Северной Америке, включая те, которые синхронизируются через радиосигналы. Такую же работу выполняет супрахиазматическое ядро головного мозга. Молекулярный механизм, заставляющий работать внутренние часы, существует во всех клетках млекопитающих. Таким образом, концентрация белка Period осциллирует не только в нейронах супрахиазматического ядра, но и в большинстве клеток нашего тела. Функция супрахиазматического ядра заключается в том, чтобы все эти часы работали синхронно.

Весь день нейроны супрахиазматического ядра рассылают сигналы в различные отделы нервной системы. Уровень активности этих нейронов косвенным образом отражается в том, спим мы или бодрствуем, а также служит калибровочным сигналом для определения реального времени суток (или того времени, которое супрахиазматическое ядро считает реальным временем суток). Подобно большинству клеток тела, нейроны супрахиазматического ядра существуют в полной темноте, глубоко в извилинах мозга. Поэтому возникает вопрос: откуда они знают правильное время — день сейчас или ночь?

На языке специалистов в области хронобиологии супрахиазматическое ядро тренируется под действием внешних сигналов — синхронизаторов (zeitgebers). Конечно же, самым мощным синхронизатором является солнечный свет. Совсем не случайно супрахиазматическое ядро расположено в месте пересечения правого и левого оптического нерва. Благодаря этому расположению ядро получает данные относительно уровня освещенности снаружи черепа. А эта информация позволяет тренировать биологические часы и обеспечивать соответствие их показаний фазе вращения Земли. Однако все это проще сказать, чем сделать.

Любой человек, переживший физические и психические неудобства, связанные с пересечением земных меридианов, знает о сложностях перенастройки биологических часов. Ресинхронизация супрахиазматического ядра после перелета из Лос-Анджелеса в Лондон может занять несколько суток: для перехода на новый ритм после пересечения каждого часового пояса требуется примерно по одному дню. А вот наручные часы можно сразу перевести на местное время.

Это различие отражает разные принципы устройства биологических и рукотворных часов. Частота осцилляций кристалла кварца в большинстве наручных часов составляет 32 768 Гц, так что за час отсчитывается 32 768 × 60 × 60 осцилляций. Для перевода часов по прибытии в Лондон не требуется переделывать часовой механизм, а нужно только формально изменить общее число осцилляций путем перевода часовой стрелки (или цифры). Напротив, колебание маятника биологических часов происходит за полные сутки, так что их перевод — гораздо более сложная процедура, затрагивающая сам часовой механизм и требующая сдвига на половину колебания. «Колебание» в данном случае — это рост и снижение концентрации внутриклеточных белков. Немедленно изменить концентрацию белков в клетке просто невозможно, как невозможно немедленно «перенастроить» наполовину опустевшие песочные часы.

На экваторе один часовой пояс (шириной 15° долготы) соответствует расстоянию примерно в 1600 км. Таким образом, чтобы пересечь 8 часовых поясов (что эквивалентно путешествию из Лос-Анджелеса в Лондон) за 12 ч нужно перемещаться со средней скоростью свыше 1000 км/ч. Это намного быстрее, чем бегают, плавают или летают любые животные. По этой причине джетлаг — новое явление, вызывающее сонливость и раздражительность не только у туристов и ученых, посещающих международные конференции, но и у пилотов, военных и дипломатов, которые в таком состоянии могут принимать неверные решения.

Однако не все переезды переносятся одинаково тяжело. Перемещение на восток пережить гораздо сложнее, чем перемещение на запад. Перемещение на восток требует перевода наших биологических часов вперед: при перелете из Лос-Анджелеса в Нью-Йорк мы должны перевести наручные часы на три часа вперед, тогда как при переезде на запад у нас остается «запасное время». Переезд с западного побережья на восточное сравним с ранним отходом ко сну, тогда как переезд с востока на запад — с поздним отходом ко сну, а для большинства людей гораздо труднее заснуть рано, чем поздно. Вполне в соответствии с этим интуитивным ощущением обычно гораздо труднее переносится переезд с запада на восток, поскольку биологическим часам труднее перескочить вперед, чем отстать, хотя механистические причины этого явления не совсем понятны.

Мыши, кажется, тоже тяжелее переживают джетлаг при перемещении на восток. Когда группу старых мышей помещают в условия, имитирующие хронический джетлаг к востоку, каждую неделю сдвигая их суточный цикл на шесть часов вперед, через восемь недель эксперимента смертность в этой группе значительно выше, чем среди мышей, которым суточный цикл смещают на шесть часов назад, имитируя перемещение на запад.

Вы «жаворонок» или «сова»: рано ложитесь спать и рано встаете или поздно ложитесь и поздно встаете? Эти «птичьи» термины обозначают хронотипы. Для определения хронотипа существует стандартный набор вопросов относительно того, когда человек предпочитает идти спать, когда он наиболее активен, когда ему лучше работается. Хронотипы отражают естественные вариации характера суточной активности в популяции, связанные с влиянием окружающей среды и с возрастом. Но к какому бы хронотипу мы не относились, большинство из нас способны адаптироваться (пусть с недовольством) к различным режимам рабочего дня. Однако есть люди, которые, как ни стараются, засыпают в восемь вечера, что мешает им нормально работать и вести нормальную социальную жизнь. Про таких людей говорят, что у них нарушен суточный ритм сна.

В конце 1990-х гг. в результате изучения истории пяти поколений семьи, в которой было много очень ранних «жаворонков», выяснилось, что для некоторых подобных нарушений существует генетическое основание. Как минимум один представитель этой семьи (который в качестве добровольца участвовал в эксперименте и провел 18 дней в изоляции) имел цикл сна и бодрствования около 23 ч, тогда как в норме этот цикл чуточку превышает 24 ч.

В 2001 г. ученые идентифицировали генетическую мутацию, связанную с семейным синдромом смещения фазы сна. Первый идентифицированный ген, связанный с нарушением циркадного ритма у человека, оказался тем же самым геном Period, который Бензер и Конопка обнаружили в 1970-х гг. в экспериментах с дрозофилами, что в очередной раз подтверждало ценность многолетних экспериментов на грызунах и дрозофилах. Люди с семейным синдромом смещения фазы сна живут в 23-часовом ритме в мире, где все подчинено 24-часовому ритму. Им постоянно приходится бороться со своими внутренними часами.

Однако не обязательно иметь мутацию в гене Period, чтобы столкнуться с такой же проблемой. В современном мире значительное число людей работает посменно: заводские рабочие, пилоты самолетов, медсестры, врачи и полицейские часто работают по ночам и вынуждены спать днем. Цикл сна и бодрствования таких людей обычно не совпадает с их биологическим ритмом. Проблема усугубляется еще и тем, что многие постоянно вынуждены перестраивать свой цикл: они ведут активный образ жизни ночью во время рабочей недели и днем в выходные. Не удивительно, что сменная работа является фактором риска развития целого ряда патологий, включая язву, сердечно-сосудистые заболевания и диабет 2 типа.

Причины этих проблем не до конца понятны, но отчасти они являются результатом несоответствия внутренних физиологических циклов и внешних стимулов. Например, концентрация таких гормонов, как инсулин, обычно повышается в период перед приемом пищи. Хроническое несоответствие между ожиданием приема пищи и ее получением, возможно, способствует развитию диабета. В экспериментах на мышах было показано, что удаление генно-инженерным путем биологических часов из клеток поджелудочной железы при их сохранении в супрахиазматическом ядре и других органах повышает вероятность развития диабета. Это подтверждает, что координация многих биологических ритмов нашего организма является важнейшим условием физиологического здоровья.

Пагубное влияние образа жизни, не соответствующего биологическому ритму, демонстрировалось неоднократно. В связи с этим возникает вопрос: может быть, лучше вообще не иметь внутренних часов, чем бороться с проблемой десинхронизации? Как ни странно, на этот вопрос можно ответить утвердительно. Как было сказано, хомяки с мутацией генов циркадного ритма могут иметь свободный циркадный ритм с периодом намного больше или намного меньше 24 ч. При одной из мутаций период циркадного ритма составляет 22 ч. В 24-часовом мире такие хомяки живут меньше, чем их немутантные родичи. Но повреждение супрахиазматического ядра этих животных приводит к увеличению продолжительности жизни. Это удивительный пример ситуации, когда какая-то часть мозга, кажется, приносит больше вреда, чем пользы.

Способность правильно распределять физиологические функции, предвидеть восход солнца и прием пищи является полезной адаптацией, но если биологический ритм не соответствует ритму внешнего мира, могут возникнуть столь серьезные проблемы, что лучше вовсе обойтись без внутренних часов. Возможно, когда-нибудь люди переселятся на другие планеты, и маловероятно, что период вращения какой-нибудь планеты из зоны обитаемости будет находиться в резонансе с нашим биологическим ритмом. Например, период вращения Марса близок к земному (24 ч и 39 мин), а вот на Меркурии «сутки» длятся более 58 земных суток. Таким образом, если этот момент наступит, возможно, правильнее будет не бороться со своими внутренними часами, а отключить их навсегда.

Атомные часы в Национальном институте стандартов и технологий необычны не только тем, что обладают сверхъестественной точностью, но и тем, что измеряют время в невероятно широком диапазоне — от наносекунд до лет. Умеют ли биологические часы, спрятанные в супрахиазматическом ядре, определять время в разных временны́х диапазонах? С ними ли связана наша способность отличать целую ноту от половины ноты, оценивать время ожидания в кафе или контролировать 28-дневный менструальный цикл?

Один из первых подходов к решению этого вопроса заключался в том, чтобы понять, влияет ли изменение биологического ритма людей, находившихся в изоляции от внешнего мира, на их способность оценивать события в более коротких временны́х интервалах. В одной серии экспериментов добровольцев просили нажимать на кнопку каждый раз, когда, по их мнению, прошел один час. В период 16-часового бодрствования один человек нажимал на кнопку примерно каждые 2 ч, а в период 44-часового бодрствования — примерно каждые 3,5 ч. В целом наблюдалась корреляция между длительностью циркадного цикла и субъективной оценкой часового интервала. На этом основании можно было заключить, что биологические часы служат для оценки самых разных временны́х интервалов, включая такие короткие, как в музыкальных ритмах или сигналах светофора. Но оказалось, что это не так. Когда людей просили нажимать на кнопку через интервалы в пределах от 10 до 120 секунд, устойчивой связи с длительностью биологического цикла не наблюдалось.

Отсутствие связи между периодом циркадного ритма и оценкой интервалов времени в пределах нескольких секунд или минут вполне соответствует экспериментальным данным, которые показывают, что для определения времени в разном диапазоне у животных имеются разные инструменты. Например, в экспериментах с грызунами было показано, что мутации, нарушающие циркадный ритм, или повреждения супрахиазматического ядра не влияют на способность оценивать длительность событий, происходящих в пределах нескольких секунд. В следующей главе мы поговорим о том, как ученые догадывались о субъективных ощущениях животных относительно длительности интервалов времени.

Механизм циркадного ритма не связан с нашей способностью оценивать время в пределах секунд. Структура элементов и принцип действия циркадного ритма не позволяют этому механизму измерять столь краткие интервалы времени. Другими словами, у этих часов нет ни секундной, ни минутной стрелки. Реакции транскрипции и трансляции протекают слишком медленно, чтобы их можно было приспособить для отслеживания смены сигнала светофора. Это не означает, что циркадные часы не влияют на оценку времени в других диапазонах, они могут это делать. Но лишь по той причине, что циркадный ритм косвенным путем влияет на множество физиологических и когнитивных функций, включая обучение, память, скорость реакции и внимание — вот почему лучше не садиться в самолет к пилоту, переживающему джетлаг, и не встречать на шоссе невыспавшегося водителя грузовика.

А как мозг оценивает более длительные интервалы времени? Участвуют ли циркадные часы в оценке событий, происходящих в более медленном инфрадианном ритме?

Луна оборачивается вокруг Земли примерно за 29,5 суток. Этот цикл оказал глубокое влияние на формирование человеческой культуры. Большинство ческой культуры. Большинство календарей, включая наш современный григорианский календарь, основаны на смене примерно 12 полнолуний, происходящих за один год. И во многих языках прослеживается связь между словом «луна» (или «месяц») для обозначения небесного тела и словом «месяц» для обозначения длительности времени.

Уже давно существует предположение, что фазы Луны влияют на физиологию человека. Например, как показывает термин «лунатизм», раньше считалось, что в полнолуние некоторые люди сходят с ума. Теперь ученые полагают, что эта идея возникла по той причине, что изменение характера сна, вызванное светом полной Луны, могло провоцировать приступы эпилепсии или биполярного расстройства. Кроме того, поскольку человеческий менструальный цикл очень близок по длительности к лунному месяцу, Луне отводили важную роль в деторождении. По-видимому, это простое совпадение, поскольку менструальный цикл других приматов может быть намного длиннее и намного короче человеческого. Поэтому, кроме очевидного факта, что лунный свет может влиять на сон и социальную активность, никаких доказательств непосредственного влияния фаз Луны на физиологию человека практически не существует.

Однако Луна играет важную роль в физиологии многих животных. В частности, развитие и периоды спаривания некоторых морских беспозвоночных синхронизированы с лунным циклом. В естественной среде Луна — главный источник света по ночам. Полная Луна помогает хищникам отыскивать потенциальных жертв, так что наиболее уязвимые фазы жизненного цикла некоторых животных происходят вне периода полнолуния. Какие-то животные спариваются в зависимости от фазы Луны. Половое размножение путем внутреннего оплодотворения требует, чтобы самец и самка находились в одном и том же месте в одно и то же время. Для животных с внешним типом оплодотворения это условие не является обязательным, но все же важно, чтобы самец и самка нерестились примерно в одно и то же время. Морские черви (сегментированные беспозвоночные животные, родственные земляным червям) в сезон спаривания ориентируются на фазы Луны в качестве синхронизирующего сигнала для выпуска икры и спермы. Благодаря этой синхронизации миллионы червей оказываются на поверхности одновременно, что некоторые народы успешно используют в гастрономических целях. Кроме того, жители некоторых индонезийских островов по моменту нереста морских червей определяют начало новогодних праздников.

Наличие циркалунного ритма у морских червей можно продемонстрировать в эксперименте с определением свободного циркадного ритма в лунном варианте. Циркалунные часы сначала нужно настроить, но не по солнечному, а по лунному свету (в лабораторных условиях — путем включения слабого света ночью на несколько часов). Если в период тренировки червей выдерживать в условиях нормальной смены дня и ночи, у них все равно наблюдается 30-суточный репродуктивный цикл. Как им это удается? Используют ли они внутренние часы в качестве маятника с периодом колебания 1 день и отсчитывают 30 колебаний? Если это так, нарушение работы внутренних часов должно изменять длительность репродуктивного цикла. Но это не так: когда морским червям давали препарат, сдвигавший их циркадный ритм, они все равно сохраняли 30-суточный циркалунный цикл размножения. Это еще одно доказательство в пользу существования в организме нескольких типов биологических часов.

Мы видим, что устройства, отсчитывающие время в теле и в головном мозге, отличаются от часов, сделанных руками человека. Одни и те же рукотворные часы могут отсчитывать миллисекунды, секунды, минуты, дни и месяцы нашей жизни. Но в соответствии с принципом множественности внутренних часов у мозга есть разные механизмы для отсчета разных отрезков времени.

Предвосхищение суточных изменений освещенности, температуры и наличия пищи настолько важно, что практически все формы жизни от бактерий до Homo sapiens имеют высокоточные циркадные часы. Однако циркадные часы так же хорошо подходят для определения времени переключения сигнала светофора, как солнечные часы для измерения скорости бега на стометровку — это часы для решения лишь одного типа задач.

Время, отсчитываемое циркадными часами, не только ограничено определением времени суток, но и недоступно для осознанного восприятия. Конечно, мы чувствуем себя бодрыми или усталыми в зависимости от концентрации определенных белков в нервных клетках супрахиазматического ядра, но мы не чувствуем время, как чувствуем тепло дневного света. Однако мы субъективным образом замечаем ход времени и прекрасно осознаем длительность происходящих событий. Очевидно, как мы увидим далее, мозг имеет другие средства для отслеживания хода времени. И эти средства позволяют не только пассивно отсчитывать время, но и каким-то образом формируют у нас субъективное ощущение течения времени.