Нам нужны устойчивые циркадные ритмы

Циркадные ритмы оптимизируют биологические функции. Каждая функция осуществляется в определенное время, потому что организм не может делать все, что ему необходимо, одновременно. Наблюдения за новорожденными младенцами позволяют лучше понять, для чего нужны циркадные ритмы. Изучая модели развития новорожденных, мы выяснили, что дети появляются на свет без достаточно надежных циркадных часов. Их ритмы очевидны, но неустойчивы. Например, младенцы пытаются спать, но посреди ночи испытывают голод или потребность опорожнить кишечник, и каждая из этих биологических потребностей заставляет их просыпаться, и они плачут, потому что им хочется спать и в то же время есть или испражняться. Их тело функционирует бессистемно. Но на 5—8-м месяце жизни их циркадные ритмы становятся более стабильными, и младенцы начинают лучше контролировать функции своего организма. Прежде всего это выражается в способности спать в течение нескольких часов, не просыпаясь. Пищеварение младенцев замедляется настолько, что их не нужно кормить ночью, и они могут сдерживать дефекацию до утра, поскольку во время сна уровень гормона, побуждающего к дефекации, остается достаточно низким. С каждым днем ритмы набирают силу и закрепляются.

Когда младенцы становятся тоддлерами, родители начинают приучать их к выполнению различных действий по расписанию, например у детей появляется постоянное время для завтрака, обеда и ужина. Вместе с тем фоторецепторы в глазах малышей начинают замечать изменения во времени наступления рассвета, и организм привыкает каждый день корректировать время на внутренних часах на несколько секунд или минут. Благодаря такой привязке к свету, или синхронизации внутренних часов с природным циклом день – ночь, наши предки могли просыпаться с рассветом независимо от времени года и погодных условий.

Циркадные часы – это внутренняя система синхронизации, которая согласует наши суточные ритмы с длительностью светового дня и временем приема пищи. Чтобы жить, наслаждаясь оптимальным здоровьем, необходимо обеспечить бесперебойную работу этих часов. Как вы узнаете, для этого вам нужно привести свой образ жизни в соответствие с циркадными часами и не игнорировать сигналы, которые они подают. Изучение механизма работы этой системы лучше всего начать с рассмотрения роли, которую в ней играет свет.

Краткая история подчинения света

Всю историю человечества как вида можно свести к попытке подчинить себе систему, изначально синхронизированную с ритмами природы, чтобы мы могли предсказывать поведение окружающей среды и адаптироваться к нему. Если мы хотим понять, как свет воздействует на наше поведение, нужно сфокусировать внимание на эволюционной биологии, которая позволяет изучить весь путь нашего развития на протяжении примерно 2 миллионов лет, и узнать, какие адаптивные механизмы мы сформировали, чтобы выживать в любых природных условиях. Сведения о нашей эволюции по-прежнему актуальны, потому что сегодня физиология нашего организма остается в основном такой же, как 2 миллиона лет назад, и по-прежнему требует, чтобы ночью мы спали, а днем работали и питались, следуя циклу, запрограммированному нашими внутренними часами.

Нам известно, что предки современных людей населяли районы около экватора, их повседневная деятельность определялась солнцем и была очень строго согласована с циркадным ритмом. Для того чтобы провести успешную охоту, первобытные мужчины и женщины должны были проснуться до восхода солнца и отправиться к водопою, где следовало затаиться и ждать, когда добыча придет утолять жажду. Когда дичи не было, люди собирали ягоды и фрукты. На поиски и потребление еды уходило очень много времени, особенно если учитывать необходимость держаться подальше от хищников.

Кроме того, к концу дня им нужно было сохранить достаточно высокий мышечный тонус, чтобы пробежать назад несколько миль, на которые они отдалились от пещеры или укрытия в ходе поисков еды. Антропологи полагают, что последний прием пищи у первобытных людей был перед заходом солнца, чтобы до наступления темноты найти безопасное место для сна. Ночью они отдыхали на протяжении 12–15 часов, и основную часть этого времени спали. По всей видимости, это воздержание от пищи в ночное время помогало им полностью очистить кишечник, чтобы утром чувствовать себя бодрыми и готовыми снова отправиться на охоту за новой порцией еды.

Люди наделены уникальной способностью по собственному желанию переходить с дневного образа жизни на ночной и при необходимости всю ночь не смыкать глаз, произвольно меняя свои циркадные ритмы. В связи с тем что крупные хищники представляли для нас серьезную угрозу, нам поневоле пришлось развить в себе несвойственную другим видам способность перестраивать циркадные ритмы, чтобы какое-то время бодрствовать ночью, в темноте. Благодаря этой способности первобытные люди могли по очереди охранять покой группы, пока остальные спали. Так появилась первая в истории посменная работа.

Победа над ночью не только помогла людям выжить, но и обеспечила им процветание и богатство. Многие стали отдавать предпочтение ночной охоте. Постепенно посменная работа стала неотъемлемой частью уклада жизни человеческого общества. Со временем первооткрыватели и завоеватели, которые умели передвигаться в ночное время и совершать внезапные нападения на врагов, становились могущественными и богатыми; они расширяли свои территории и захватывали новые плодородные земли, минералы, драгоценные камни и природные ресурсы.

Одним из первых инструментов, который люди применили в борьбе с часами, стал огонь. Способность разжигать и контролировать его принесла людям два преимущества. Во-первых, огонь позволял бодрствовать на несколько часов дольше, а при необходимости всю ночь. Вечерний мерцающий свет от горящих углей был тусклым. Этого было достаточно для того, чтобы отпугивать крупных плотоядных животных и защищаться от ночного холода. Во-вторых, огонь стал мощным оружием. На протяжении тысячелетий он оставался практически единственным средством защиты человека. Даже сегодня действие большинства видов вооружения основано на применении силы огня.

Помимо прочего, жизнь вокруг костра стимулировала развитие человеческой цивилизации. Огонь позволял жарить и варить пищу, расширяя ассортимент съедобных продуктов²⁵.

Процесс тепловой обработки размягчает продукты питания, уничтожает сильные запахи, убивает патогены, делает еду более аппетитной, безопасной и легкоусвояемой, что позволяет получать больше калорий из тех же самых ингредиентов. Вот почему питание сырыми продуктами можно с успехом использовать для избавления от лишнего веса, но, если мы будем употреблять те же самые продукты в приготовленном виде, снижение веса окажется не столь заметным²⁶. В дополнение ко всему тепловая обработка пищи сократила затраты времени на охоту, потому что люди смогли получать из тех же самых продуктов вдвое больше энергии. И наконец, у наших предков появилось больше вариантов выбора, потому что теперь они могли употреблять многие продукты, которые не переваривались в сыром виде.

Использование огня для согревания холодными ночами позволило первобытным людям покинуть экваториальные регионы и заселить более высокие широты в Европе, Азии и Северной Америке. Самые северные широты люди освоили сравнительно недавно – 30–40 тысяч лет назад. Летом в этих местах светлая часть суток длится долго, иногда более 20 часов, но адаптироваться к этому было нетрудно, потому что летние дни были не слишком жаркими и люди могли отдыхать в темных пещерах или хижинах. Зато долгие зимние ночи с очень малым количеством дневного света определенно могли привести мозг в замешательство. Даже сегодня многие люди не могут приспособиться к долгим темным зимним ночам в высоких широтах и у них развивается сезонное аффективное расстройство, или сезонная депрессия. Зимой в этих регионах всегда возрастают уровни депрессии и попыток самоубийства. Теперь мы понимаем, что это напрямую связано с десинхронозом, или рассогласованием циркадных ритмов, поскольку людям, страдающим сезонной депрессией, приходится работать в ночную смену на протяжении нескольких недель или месяцев.

Огонь оказывал весьма специфическое воздействие на вечернюю жизнь первобытных людей. В то время как мужчины проводили день на охоте, женщины и дети оставались возле жилья, ухаживая за одомашненными животными или запасая еду для дождливых и зимних дней. По вечерам семьи собирались у костра, отдыхали и веселились. Люди рассказывали друг другу истории, строили планы на будущее, давали волю воображению и новым идеям в различных областях. Такие разговоры у костра стали колыбелью искусства, культуры, науки и философии – всего того, что, собственно, и делает нас людьми²⁷. С тех пор привычка вести вечернюю социальную жизнь вокруг источника света глубоко укоренилась в нашем образе жизни.

Но это вечернее время у костра было ограничено одним-двумя часами, потому что поддерживать огонь было трудно, а со временем стало довольно дорого. Даже в начале эпохи индустриализации огонь и свет были доступны лишь немногим. Когда люди стали использовать более качественные виды топлива, такие как китовый жир, пчелиный воск и сало, они стали проводить различие между огнем для приготовления пищи или отопления и огнем для освещения. Обычным людям эти источники света были не по карману. В пересчете на сегодняшние цены, в XIX веке затраты на ежевечернее освещение среднего дома могли составлять от 1000 до 1500 долларов²⁸. Поскольку яркое вечернее освещение было редкостью, большинство людей чувствовали сонливость и ложились спать уже через пару часов после захода солнца. Сегодня в Африке, Южной Америке, Австралии и Индии некоторые общины коренных народов сохраняют уклад жизни аграриев или охотников-собирателей, подобный тем, что существовал 2–3 века назад. В этих общинах с крайне ограниченным доступом к электричеству люди ложатся спать рано и просыпаются с рассветом^29,30,31.

На рубеже XX века электричество и электрическое освещение существовало уже во всем западном мире, но веских причин бодрствовать и работать в ночное время все еще не было. На смену традиционным печам на дровах пришли газовые и электрические, что привело к переносу кухни в центральную часть современного дома и позволило готовить еду в любое время. Технологии переработки, хранения и замораживания продуктов предоставили людям возможность питаться и днем, и ночью. И вот тогда начались реальные проблемы.

Начало индустриализации ознаменовалось стремительным ростом производства продуктов питания, добычи полезных ископаемых и выпуска промышленной продукции, что привело к сокращению ручного труда на работе и дома. Вскоре рост производства обогнал потребление на местах, и это стало причиной развития инфраструктуры: автомобильных и железных дорог, зданий и складов, – что еще больше сократило потребность в физическом труде. Создание и эксплуатация современной инфраструктуры породили спрос на работников нового типа, готовых бодрствовать и трудиться в ночное время. Сегодня в промышленно развитых обществах от 20 до 25 процентов людей, работающих на полную ставку, составляют работающие посменно.

Механизация сельского хозяйства в начале XX века привела к дальнейшему повышению урожайности, а селекционеры неосознанно выбирали культуры с врожденными сдвигами в циркадных часах. Этим культурам-мутантам не требовалось точно высчитывать долготу дня, чтобы определить время года. Они могли цвести в любое время года, в том числе в теплице, позволяя фермерам получать с одного участка земли по два-три урожая в год.

Механизация производства продуктов питания избавила работников сельского хозяйства от необходимости проводить весь день на свежем воздухе. В то же время электрическое освещение становилось все более доступным. В середине XX века, когда после Второй мировой войны все эти промышленные системы заработали на полную мощность, почти все население индустриально развитых стран столкнулось с проблемой циркадных нарушений. По мере уменьшения количества сна увеличивалось время бодрствования при ярком освещении, особенно поздними вечерами, когда мозг не ждет, что его будут стимулировать светом. А когда люди бодрствовали в дневное время, многие оставались в четырех стенах и не подвергались достаточному воздействию яркого солнечного света. Оба эти сценария сбивали с толку часовой механизм мозга.

Телефоны, радио и телевидение начали развлекать нас до поздней ночи. На смену вечерним разговорам соседей у костра пришел компьютер и превратил общение в глобальную виртуальную круглосуточную чат-сессию, в ходе которой любой человек может обсуждать любую тему с кем угодно. В условиях 24-часового цикла новостей и развлечений, когда во Всемирной паутине постоянно работают миллиарды компьютерных устройств, кто может позволить себе не подключиться к ней?

Несмотря на то что все эти достижения призваны усовершенствовать предыдущие технологии и улучшить нашу жизнь, они все сильнее нарушают ход биологических часов человека. Наши циркадные ритмы по-прежнему вводятся в заблуждение ярким светом по вечерам и ограниченным доступом к естественному свету в дневное время. Мы просто недостаточно сильно эволюционировали, чтобы синхронизировать внутренние часы с реалиями современного мира, поэтому вынуждены бороться с ними так же, как наши продвигавшиеся на север предки. И у тех, кто работает посменно, и у тех, кто ведет посменный образ жизни, постоянное воздействие света вызывает десинхроноз, который подавляет желание спать и пробуждает голод.

Свет для здоровья и свет для зрения – это не одно и то же

Мы не можем вернуться в Средневековье, чтобы воспользоваться преимуществами долгой темной ночи, но если бы мы знали, как свет воздействует на наши биологические часы, то, возможно, смогли бы научиться использовать его для управления здоровьем. Поступая в аспирантуру, я хотел найти ответы на множество вопросов. Мне хотелось точно знать, как свет влияет на наши циркадные часы. Почему свечение компьютерного монитора может продержать нас без сна всю ночь, а на следующее утро нашему мозгу потребуется гораздо больше света, чтобы мы не уснули? Может, цветность света влияет на наши часы сильнее, чем яркость?

Если бы мы смогли выяснить, как яркость и цветность света воздействуют на наши часы в разное время суток, то получили бы возможность использовать свет для улучшения своего здоровья. Наверное, вы знаете, что при воздействии яркого солнечного света на кожу в нашем организме вырабатывается витамин D, однако это явление никак не связано с нашими внутренними часами. Свет действует на них только через наши глаза. Поэтому давайте поговорим о глазах.

Человеческий глаз работает подобно фотокамере. Он содержит миллионы клеток, известных как палочки и колбочки, которые улавливают детали изображения с высоким разрешением и посылают эту информацию по длинным отросткам нервных клеток в мозг. Сетчатка, или светочувствительная ткань, выстилающая глазное дно, содержит несколько миллионов палочек и колбочек, выполняющих функции фоторецепторов. Лучи света, проходящие через роговицу, зрачок и хрусталик, фокусируются на сетчатке. Сетчатка преобразует световые лучи в импульсы, которые проходят по зрительному нерву в мозг, где расшифровываются и переводятся в изображения, которые мы видим. Когда палочки и колбочки умирают, мы теряем способность видеть. Так бывает в некоторых случаях врожденной слепоты.

Современная жизнь в четырех стенах нарушает циркадные ритмы и вызывает предрасположенность к различным заболеваниям мозга.

Тем не менее у незрячих людей есть циркадные часы, подверженные воздействию света. Любопытно отметить, что многие из них способны «ощущать» свет. Согласно их сообщениям, когда они выходят из помещения на яркое солнце, то чувствуют какую-то яркость, наполняющую их глаза, и под воздействием яркого света их зрачки действительно сужаются, а когда они возвращаются в помещение, то расширяются. Незрячие люди и некоторые слепые животные способны подстраивать свой режим сна и бодрствования под сезонные изменения долготы дня.

Это явление было открыто в начале XX века, и почти 80 лет большинство ученых считали, что у незрячих могло оставаться какое-то количество дееспособных палочек и колбочек, которые создавали у них ощущение света. Однако проведенные в 1990-е годы эксперименты показали, что в глазах есть еще один вид рецепторов света, о котором раньше ничего не было известно^32,33,34. В 2002 году три независимые группы исследователей, включая мою, обнаружили светочувствительный белок, который содержится в особых светочувствительных клетках сетчатки, помимо колбочек и палочек, и выполняет функцию фоторецептора, привязывающего суточный цикл сна и бодрствования к попадающему в глаза свету^35,36,37,38. Из 100 тысяч нервных клеток сетчатки, которые передают всю световую информацию в мозг, лишь 5 тысяч содержат меланопсин³⁹. Палочки и колбочки тоже могут осуществлять привязку циркадных часов, но лишь в случае отсутствия меланопсинсодержащих клеток; к тому же они справляются с этой задачей не столь эффективно. Вот почему незрячие люди, у которых потеряны палочки и колбочки, но сохранились неповрежденные клетки, содержащие меланопсин, способны ощущать свет. Однако этих клеток слишком мало, чтобы создать образ внешнего мира.

Чтобы понять, как работает данный фоторецептор, мы провели эксперимент на мышах, у которых предварительно удаляли либо ген, контролирующий меланопсин (меланопсинген), либо меланопсиновые клетки, хотя во всех прочих отношениях их глаза были совершенно нормальными: они хорошо видели и могли нормально ориентироваться. Когда у мышей при помощи трансгенных методов элиминируется этот ген, клетки остаются живыми, но, когда клетки удаляются, экспрессия гена прекращается. В случае элиминации меланопсингена информация о свете все равно может просачиваться в мозг мыши через меланопсиновые клетки. Однако после потери клеток все каналы связи между глазом и циркадной системой мозга исчезают.

Обычные мыши, как правило, просыпаются вечером (они ночные животные), а в светлое время суток спят. Но мыши, у которых отсутствуют меланопсинсодержащие клетки, не способны ощущать свет и темноту. Тем не менее, когда этих мышей помещали в постоянную темноту, их циркадные часы продолжали функционировать в привычном режиме: они засыпали и просыпались точно так же, как обычные мыши, и длительность цикла составляла 23 часа 45 минут. Однако мышам, лишенным меланопсина, было труднее приспосабливаться к незначительным изменениям длительности дня, происходящим в течение недели. В то время как обычные мыши могли согласовывать время засыпания и пробуждения с изменениями цикла света и темноты, происходящими в течение недели, у мышей, лишенных меланопсина, процесс согласования занимал минимум целый месяц. Кроме того, нормальные мыши замирают, когда ночью видят яркий свет. Но мыши, у которых меланопсин отсутствовал, не замирали при вспышках яркого света ночью и продолжали бегать. И наконец, воздействие света в ночное время не влияло на систему синтеза мелатонина у тех мышей, которые были лишены как меланопсин-гена, так и меланопсиновых клеток.

В силу того что у людей и мышей большинство генов одни и те же, включая меланопсин, результаты экспериментов на мышах могут быть использованы при изучении наших циркадных ритмов. Они показывают, что меланопсин способен воздействовать на циркадные часы человека, на циклы сна и производство мелатонина. На следующем этапе исследования мы постарались выяснить, насколько эффективно разные типы света активируют меланопсин, чтобы получить возможность применять нужный тип света в нужное время для оптимизации наших биологических часов.

Спектр излучения видимого свет включает все цвета радуги. Каждый цвет характеризуется определенной длиной световой волны. Самая большая длина волны у красного цвета, а самая короткая – у фиолетового. Когда все волны составляют один поток, они образуют белый, или солнечный, свет. Основные цвета (красный, зеленый и синий) в составе спектра белого света активируют фоточувствительные белки из группы опсинов, содержащиеся в трех типах колбочек, которые идентифицируют эти цвета по отдельности и совместно (как белый свет). Белок меланопсин не содержится в колбочках и обладает наибольшей чувствительностью к волнам голубого света, который входит в синюю часть спектра, и менее чувствителен к красной части спектра. Когда меланопсин активируется, воспринимая синий свет, он посылает в мозг сигнал о присутствии дневного света, а мозг в ответ решает, что сейчас день, независимо от того, какое время суток на самом деле. Когда вы приходите в продуктовый магазин поздно вечером, меланопсин реагирует на источники света под потолком и мозг решает, что сейчас день и вам нужно бодрствовать.

Представьте, что у вас есть две лампочки одинаковой яркости: синяя и оранжевая. Когда в середине ночи вы включите оранжевую лампу, ее свет активирует опсины в красных и зеленых колбочках (опсин зеленых колбочек способен довольно неплохо чувствовать оранжевый свет, потому что оранжевый цвет располагается на краю красной части спектра рядом с зеленым) и мозг увидит предметы, которые находятся в комнате. Когда вы включите синюю лампу, активируются синие колбочки и вы увидите в комнате те же самые предметы. Однако меланопсинсодержащие клетки почти не отреагируют на оранжевый свет, который входит в красную часть спектра, и скажут мозгу, что сейчас ночь, а синий свет зарегистрируют как дневной. Так что, если вы проведете час при оранжевом свете, это не окажет на ваши циркадные часы почти никакого воздействия, но такой же час, проведенный при синем свете, заставит ваши часы перевести стрелки и показать, что наступило утро.

По мере того как меняются времена года и долгота дня, наши циркадные ритмы приспосабливаются к изменению времени восхода и захода солнца. Очень долго мы не имели ясного представления о том, как эти циркадные ритмы переходят на новое время восхода или заката и как на них влияет свет. Но наши исследования показали, что те же самые рецепторы голубого света переводят стрелки биологических часов человека, когда при смене времен года меняется долгота дня или когда мы пересекаем несколько часовых поясов. Кроме того, они прямо или косвенно связаны с участками мозга, которые контролируют депрессию, алертность, сон, производство гормона сна мелатонина, и даже с мозговым центром, контролирующим мигреневые головные боли.

У меланопсина есть еще одна особенность: для его активизации требуется очень много света. Например, если вы на несколько секунд откроете глаза в тускло освещенной комнате, то палочки и колбочки смогут воспринять изображение комнаты, но клетки, содержащие меланопсин, поведут себя так, словно вокруг слишком темно, чтобы что-то увидеть.

Эти открытия помогли нам составить первое представление о механизме воздействия света на здоровье. Современный образ жизни, при котором бóльшую часть времени мы проводим в помещении, уткнувшись в яркие дисплеи, и выключаем яркое освещение ночью, активирует меланопсин в неурочное время, что постепенно приводит к нарушению циркадных ритмов и сокращает производство гормона сна мелатонина. В результате мы теряем способность получать достаточное количество восстанавливающего сна. Если бóльшую часть дня мы проводим в помещении, то нам не удается согласовать свои циркадные часы с циклом день – ночь, так как тусклое искусственное освещение не способно в полной мере активировать меланопсин. Поэтому мы не можем стряхнуть сонливость и достичь необходимого уровня алертности. Через несколько дней или недель такой жизни у нас развивается депрессия или тревожность.

Сейчас, когда нам намного больше известно о том, как определенное количество, качество и длительность воздействия света может влиять на наше здоровье, мы начинаем осознавать, что внесение небольших изменений в технологию изготовления осветительных приборов, компьютерных дисплеев и очков может реально способствовать улучшению нашего здоровья.