В 2017 году, в тот день, когда Майкл Янг узнал, что стал лауреатом Нобелевской премии по физиологии и медицине, он рассказал интересную историю из своей жизни. Мы тогда стихийно организовали небольшое празднование в клубе Рокфеллеровского университета. К идее того, что время нашего сна и бодрствования определяется молекулярными часами, сначала относились с насмешкой: «Гены управляют поведением? Да кто в это поверит!»
И все же исследования, которые длились более 35 лет, наконец выявили, что циклы сна/бодрствования (наряду с большинством физиологических функций) действительно напрямую зависят от молекулярных часов, наличие которых Янг и его товарищи впервые открыли у плодовых мушек. Эти часы — научная база книги, которую вы держите в руках. В первой главе я решила рассказать вам о работе этого механизма с научной точки зрения и остановиться подробнее на составляющих частях этих часов, месте их расположения и факторах, влияющих на их работу.
Такие часы есть у каждого из нас. Они помогают нам выстраивать свой день, регулируя поведение и функции организма, как показано на рисунке «Циркадные часы». Часы отправляют нас спать по вечерам и будят утром. Они говорят нам, когда завтракать, обедать и ужинать, а также готовят организм к процессам поглощения и переваривания пищи именно в это время. Часы регулируют температуру нашего тела и работу иммунной системы. Все аспекты психического состояния человека, включая настроение, концентрацию внимания и уровень энергии, меняются в течение дня и подчиняются циркадным часам. Что же такое циркадные часы и что за механизм лежит в основе их работы?
Согласно природному ритму, в сутках для человека есть не только оптимальное время для сна (ночью), но и оптимальное время для физической активности (днем) и оптимальное время для дефекации (утром). Научное название суточного ритма — «циркадный» ритм, от латинских слов circa, означающего «около», и diem, «день». Получается, что циркадный ритм можно еще назвать околосуточным, ведь именно столько длится один из важных циклов нашего организма: около суток. Циркадному ритму подчиняются практически все физиологические процессы.
Циркадные часы имеются у всех животных (и даже растений). Благодаря им все живые существа на Земле подготовлены к тому, что в течение дня их ожидает солнечный свет и тепло, а ночью — темнота и холод. Растениям важно разворачивать листья таким образом, чтобы фотосинтез начинался сразу, как только их коснутся первые лучи солнца. Хищники пользуются биологическими часами, чтобы понять, когда пришла пора охотиться и где найти добычу; например, если газели всегда пасутся у реки в сумерках, льву важно отправиться туда до наступления темноты, чтобы не упустить добычу. В более северных широтах животные начинают подыскивать убежище до захода солнца, чтобы защититься от ночного холода. Это лишь малая часть примеров, иллюстрирующих функцию циркадных часов: они необходимы для того, чтобы предвосхищать изменения окружающей среды.
Что произойдет, если поместить растение в совершенно темную комнату, в которую никогда не проникают лучи солнца? Оно по-прежнему будет поворачивать листочки к ожидаемому источнику света, «искать» отсутствующее солнце по комнате в течение «дня» и закрывать листочки, чтобы сохранять влагу в течение «ночи». И все это в абсолютной темноте. Удивительнее всего то, что растение не перестанет так себя вести до самой гибели, которой в абсолютной темноте долго ждать не придется.
Любопытно, скажете вы, но какое это все имеет отношение ко мне и к моему ребенку?
Циркадные часы
Наши внутренние часы создают суточные ритмы сна, бодрствования, настроения, пищеварения, сердечного ритма и других физиологических параметров, включая работу иммунной системы и секрецию гормонов. Внутренние часы гарантируют, что мы всегда готовы к изменениям окружающей среды, например мы чувствуем усталость вечером, когда приближается время сна, или испытываем голод и настраиваемся на переваривание пищи, когда подходит время еды.
Сила часов
Допустим, обычно вы ложитесь спать в 23:00 и просыпаетесь в 7:00. Если я помещу вас в квартиру без окон и естественного солнечного света, а также без телевизора, часов, интернета и других источников информации о времени, но зато с электрическим освещением, пищей, книгами и фильмами и оставлю там на сутки, разрешив вам выключить свет и пойти спать в любое время, что, по-вашему, случится?
На самом деле такие эксперименты проводились (и неоднократно) с разными группами людей и в разных странах. Оказывается, в таких условиях человек действует в соответствии с тем же ритмом, к которому привык в обычной жизни. А значит, вы по-прежнему будете засыпать и просыпаться в обычное для себя время каждый день, пока находитесь в этих условиях. Такова сила внутренних часов, и несложно догадаться, как полезно ребенку каждый день ложиться спать в 23:00 и просыпаться в 7:00.
Как работают циркадные часы
Как же работают эти часы и как мы можем использовать полученные знания для того, чтобы помочь ребенку спокойно спать до самого утра? Из-за того что Земля вращается вокруг своей оси и один оборот занимает 24 часа, наши внутренние часы в процессе эволюции выработали циркадный ритм с периодом приблизительно в 24 часа. Если бы вращение Земли вокруг своей оси было медленнее, сутки длились бы дольше, и тогда период в циркадном ритме, возможно, составлял бы более 24 часов.
Что же приводит в действие наши внутренние часы и как мы понимаем, который час? Почти 50 лет назад ученые обнаружили, что часами управляет набор так называемых часовых генов. Генетики Рон Конопка и Сеймур Бензер, работавшие в начале 1970-х годов в Калифорнийском технологическом институте, задались вопросом, существуют ли гены, отвечающие за определенные процессы, которые случаются только в определенное время суток. Ответить на него им помогла крошечная плодовая мушка Drosophilia melanogaster.
При нормальном развитии яйца мухи превращаются в личинок, которые много едят и растут. Семь дней спустя во время метаморфоза каждая личинка создает для себя небольшой кокон, называемый куколкой. Находясь внутри куколки, личинка превращается во взрослую мушку. Затем, через десять дней после появления яйца, из куколки вылупляется зрелая мушка. Интересно, что вылупление обычно происходит в определенное время суток, а именно ранним утром. Предположительно, это нужно для того, чтобы новорожденные мушки имели возможность расправить крылышки в течение теплого времени суток и привыкнуть к новому телу, пока еще светло и относительно тепло.
Чтобы понять, связано ли утреннее вылупление с наличием определенных генов, Конопка и Бензер подвергали мушек воздействию повреждающего ДНК химического фактора, или мутагена, тем самым нарушая функции индивидуальных генов. Затем они наблюдали, изменили ли эти генетические нарушения время вылупления мушек. Оказалось, что определенные мутации сбивали ритм вылупления: вместо того чтобы вылупляться утром, мушки-мутанты делали это в разное время дня и ночи. Кроме того, исследователи обнаружили две другие генетические мутации, которые не сбивали ритм жизнедеятельности мушек, а укорачивали 24-часовой цикл вылупления мушек до 19 часов или удлиняли до 28 часов.
В исследованиях дрозофил гены традиционно получают название в соответствии с проблемой, которая возникает, если этот ген отсутствует. Поскольку обнаруженные Конопкой и Бензером мутации влекут за собой изменения в периодичности поведения, ученые назвали ген мушек-мутантов с аритмией «геном периода», а два других, соответственно, «геном короткого периода» и «геном длинного периода». Через несколько лет мой научный руководитель Майкл Янг впервые клонировал ген периода, тем самым описав его генетические черты. Именно клонирование первого часового гена принесло ему и двум его коллегам Нобелевскую премию по физиологии и медицине в 2017 году. Обнаружение гена периода приоткрыло дверь к пониманию генетических основ циркадных ритмов.
Основываясь на этом революционном открытии, наша лаборатория наряду со многими другими обнаружила целую сеть часовых генов, которые отвечают за поддержание ритма в функционировании человеческого организма. Часовые гены представлены в большинстве клеток нашего организма; в каждой клетке свои часы. Как же внутренние биологические часы синхронизируются с внешним временем? У нас в мозгу имеется структура, которую называют супрахиазматическим, или надперекрестным, ядром. Оно считается своеобразными контрольными часами организма. Частота пульсации нейронов в нем варьирует в зависимости от времени суток, достигая максимальных значений днем и минимальных — ночью. Частота пульсации этих нейронов сообщает остальным отделам мозга, всем органам и тканям нашего организма, который час.
Эксперименты в пещере и бункере
Первого исследователя, который занялся изучением человеческого поведения в отсутствие обычного для общества 24-часового цикла активности, звали Натаниэл Клейтман. Он исследовал циркадные ритмы людей, помещенных на месяц в Мамонтову пещеру (штат Кентукки) в июне — июле 1938 года. В этих условиях он искусственно создал особый режим: вместо 24 часов день у испытуемых длился либо 21 час, либо 28. Контролируя их температуру тела и пульс, Клейтман рассчитывал узнать, изменит ли человеческий организм свой эндогенный (то есть возникающий внутри организма) ритм и перейдет ли на период в 21 или 28 часов соответственно или продолжит придерживаться периода в 24 часа.
Клейтман обнаружил, что организм человека сохраняет ритм с периодом в 24 часа даже тогда, когда внешняя среда диктует совсем иные условия. Это стало явным доказательством существования эндогенного циркадного ритма.
Немецкие исследователи, работавшие в команде с доктором Юргеном Ашоффом, проводили подобные эксперименты в 1960-х годах. Они организовали жилое помещение в подземном бункере времен Второй мировой войны в баварском городке Андексе. Участникам эксперимента предлагалось включать и выключать свет тогда, когда они захотят, и при этом продолжать заниматься тем, чем они привыкли заниматься в дневное и ночное время. Многие студенты, участвовавшие в эксперименте, использовали время в бункере для подготовки к экзаменам. К началу 1980-х, когда программа была приостановлена, в «экспериментах в бункере» успели поучаствовать более трех сотен волонтеров. Вывод был однозначен: даже при полном отсутствии света люди продолжают придерживаться ритма с циклом приблизительно в 24 часа, что еще раз доказывает существование внутренних циркадных часов.
