Юрий Гагарин – Анатомия времени: Как настройка на ритмы Вселенной лечит тело (страница 2)
Теперь — вперёд, в анатомический театр времени. Первый разрез мы сделаем в главе первой, где разберём историю открытия биологических часов. Но прежде чем перейти к истории, один маленький эксперимент: закройте глаза на минуту и попробуйте почувствовать пульс. Не считайте удары, а просто почувствуйте ритм. Глубокий вдох — и выдох. Пульс чуть замедлился на выдохе? Поздравляю, вы только что ощутили дыхательную аритмию — один из самых простых и древних ультрадианных ритмов. От него мы и начнём наше путешествие вглубь времени.
ГЛАВА 1. ИСТОРИЯ ОТКРЫТИЯ БИОЛОГИЧЕСКИХ ЧАСОВ
Идея о том, что жизнь подчинена ритмам, древнее письменности. Охотники верхнего палеолита уже замечали, что активность зверей меняется в зависимости от времени суток и сезона. Земледельцы неолита знали: посев нужно начинать не по календарю, а когда определённая звезда встаёт перед восходом Солнца. Но долгое время эти наблюдения оставались частью практического опыта, а не науки. Вопрос «как организм измеряет время» впервые был поставлен как экспериментальный только в XVIII веке, и ответ на него занял почти двести лет.
Самый ранний из зафиксированных экспериментов по биоритмам принадлежит французскому астроному Жану-Жаку д’Орту де Мерану. В 1729 году он заметил, что листья мимозы стыдливой Mimosa pudica раскрываются днём и складываются на ночь. Де Меран поместил растение в постоянную темноту, ожидая, что ритм исчезнет. Однако листья продолжали раскрываться и складываться с примерно суточной периодичностью. Это было первое доказательство: ритм не просто ответ на смену света и тьмы, а нечто внутреннее, эндогенное. Де Меран не понял всей важности своего открытия, и о нём забыли почти на столетие.
В 1832 году швейцарский ботаник Альфонс де Кандоль повторил эксперимент с мимозой, но уже с большей тщательностью. Он держал растения в постоянной темноте при постоянной температуре и показал, что период ритма составляет около 22–23 часов, а не ровно 24. Де Кандоль ввёл термин «сон растений» и предположил, что ритм задаётся самим растением, но не смог объяснить механизм. Его работа осталась известной только среди ботаников.
Следующий шаг сделал зоолог. В 1880 году австрийский учёный Зигмунд Экснер изучал пчёл и обнаружил, что они прилетают на кормушку в одно и то же время суток, даже если кормушка пуста. Он предположил, что у пчёл есть «чувство времени». Но настоящий прорыв в понимании поведения животных во времени совершил немецкий исследователь Карл фон Фриш, который позже получил Нобелевскую премию за расшифровку танцев пчёл. В 1920-е годы он показал, что пчёлы могут быть обучены приходить за едой в определённый час, а затем перенесены в другое место с изменённым освещением — они всё равно приходили в то же время по своим внутренним часам, ориентируясь на положение Солнца. Фон Фриш ввёл понятие «временная память».
Но поворотный момент в истории хронобиологии наступил, когда внимание переключилось с растений и насекомых на человека. В 1938 году американский физиолог Натаниэл Клейтман, которого сегодня называют отцом хронобиологии человека, решился на экстраординарный эксперимент. Вместе со своим аспирантом Брюсом Ричардсоном он спустился в пещеру Мамонтову в Кентукки. Пещера находилась на глубине около 40 метров, где отсутствуют суточные колебания температуры, света и других геофизических факторов. Клейтман и Ричардсон прожили в пещере 32 дня, пытаясь жить по 28-часовому «суткам»: 9 часов сна, 10 часов бодрствования и 9 часов работы, затем сдвиг. Но главным результатом стало не выполнение этого графика, а наблюдение, что температура тела у обоих испытуемых продолжала колебаться с периодом, близким к 24 часам, несмотря на искусственный режим. Клейтман впервые чётко показал: у человека есть эндогенный циркадианный ритм, который не зависит от внешних сигналов, но может быть лишь слегка подстроен.
Эксперимент Клейтмана дал толчок десяткам последующих изоляционных исследований. В 1960-е годы Юрген Ашофф и Рюгер Уэвер из Общества Макса Планка в Андехсе построили специальные бункеры, где добровольцы жили без временных сигналов месяцами. Оказалось, что в изоляции циркадианный ритм человека обычно удлиняется до 24,5–25 часов, а у некоторых испытуемых может достигать 30–50 часов, но затем возвращается к норме. Ашофф сформулировал правило: при отсутствии внешних цайтгеберов (немецкое Zeitgeber — «дающий время») человеческий циркадианный ритм становится свободнотекущим с периодом более 24 часов. Этот феномен называется «ашоффовское правило».
Параллельно с поведенческими экспериментами шёл поиск анатомического субстрата биологических часов. В 1972 году сразу две независимые группы исследователей — Роберт Мур и Виктор Эйхлер у крыс, а также Фредерик Стефан и Ирвинг Цукер у мышей — показали, что разрушение небольшой области в переднем гипоталамусе, названной супрахиазматическим ядром или СХЯ, полностью уничтожает циркадианные ритмы питья, бега и температуры тела. СХЯ — парное образование размером с булавочную головку, расположенное чуть выше перекрёста зрительных нервов (отсюда название — супрахиазматическое, то есть над хиазмой). Именно оно было признано главным центральным пейсмекером млекопитающих. Однако оставалось загадкой, как отдельные клетки СХЯ генерируют ритм.
Ответ пришёл из генетики. В 1971 году Рон Конопка и Сеймур Бензер, работая с плодовой мушкой дрозофилой, выделили мутантов с аномальными циркадианными ритмами: одни мухи спали и просыпались с периодом 19 часов, другие 28 часов, а третьи вообще хаотично. Ген, ответственный за эти нарушения, они назвали периодом. Но только в 1984 году Джеффри Холл, Майкл Росбаш и Майкл Янг из Брандейского университета сумели клонировать ген период и показать, что его белковый продукт PER накапливается в ядрах клеток в течение ночи и разрушается днём — первый молекулярный «маятник». В последующие годы они раскрыли всю петлю обратной связи: белки CLOCK и BMAL1 активируют транскрипцию периода и криптохрома CRY, затем белки PER и CRY подавляют активность CLOCK-BMAL1, затем белки разрушаются, и цикл повторяется. За эту работу в 2017 году Холл, Росбаш и Янг получили Нобелевскую премию по физиологии и медицине.
История открытия биологических часов поучительна. Она прошла путь от наивного наблюдения за мимозой до нобелевской молекулярной модели. И сегодня, когда мы знаем гены часов почти во всех тканях, мы понимаем: биологическое время — не метафора, а такая же физическая реальность, как кровяное давление или pH крови. Но парадокс в том, что именно сейчас, когда молекулярные часы расшифрованы до атомного уровня, мы начинаем осознавать, насколько сложно синхронизировать все эти часы друг с другом и с внешним миром. Десинхроноз стал болезнью цивилизации. И лечение её, как ни странно, начинается с простого вопроса: который час — не на вашем смартфоне, а в вашем супрахиазматическом ядре?
ГЛАВА 2. АРХИТЕКТУРА ЧЕЛОВЕЧЕСКОГО ХРОНОМА
Если продолжить анатомическую метафору, то супрахиазматическое ядро — это дирижёр оркестра, но не единственный музыкант. В каждой клетке тела есть свои часы, и задача дирижёра — не играть вместо них, а задавать общий темп. Понимание этой иерархии необходимо, чтобы лечить временем: мы должны знать, куда и когда посылать сигнал.
Супрахиазматическое ядро находится в переднем гипоталамусе, непосредственно над перекрёстом зрительных нервов. Оно состоит примерно из 20 000 нейронов. Эти нейроны удивительно автономны: каждый из них способен генерировать собственный циркадианный ритм с периодом около 24 часов. Но будучи соединёнными через синапсы и нейропептидные сигналы, они синхронизируются друг с другом, создавая единый, очень стабильный выходной сигнал. СХЯ получает прямой вход от сетчатки глаза через ретиногипоталамический тракт. Этот тракт несёт информацию об интенсивности света, но не о форме или цвете — для него важна только общая освещённость. У млекопитающих (включая человека) именно этот путь является главным цайтгебером. Интересно, что само СХЯ не содержит классических фоторецепторов; свет действует на особый слой ганглиозных клеток сетчатки, содержащих фотопигмент меланопсин. Эти клетки чувствительны именно к синему свету с длиной волны около 480 нм. Поэтому синий свет от экранов вечером так сильно сбивает наши часы — он прямо попадает в меланопсиновую систему.
От СХЯ сигнал распространяется двумя основными путями. Первый путь — нейроэндокринный: СХЯ посылает сигнал к паравентрикулярному ядру, оттуда в верхний шейный ганглий симпатической системы, а затем к эпифизу — маленькой железе в центре мозга. Эпифиз в ответ на сигнал «темно» синтезирует мелатонин из серотонина. У человека уровень мелатонина начинает расти примерно за два часа до обычного сна, достигает пика в середине ночи и падает к утру. Мелатонин — это не просто «гормон сна», а химический посланник, который сообщает всем периферическим часам: сейчас ночь, подстраивайтесь. Второй путь — прямой нейронный: СХЯ через цепочку связей влияет на другие отделы гипоталамуса, ответственные за температуру тела, аппетит, выделение гормонов гипофиза, активность коры надпочечников. Так, например, утренний подъём кортизола — прямой результат сигнала СХЯ к гипоталамо-гипофизарно-надпочечниковой оси.