Биологические часы
Старая пословица «ранняя пташка червячка клюет» справедлива для многих живых существ. И не потому что «жаворонки» используют более выгодную жизненную стратегию, но потому что таким образом организм подстраивает собственную физиологию и поведение к предсказуемым изменениям окружающей среды.
Выживание зависит не только от адаптации к внешним изменениям, но и от возможности предсказывать события дня: цветущие растения готовятся к опылению, раскрывая лепестки в нужное время; ночные животные рыщут в поисках пищи, проснувшись перед закатом. Первым начал изучать этот феномен французский астроном Жан-Жак д’Орту де Мейрен в 1729 году. Заметив, что Mimosa pudica раскрывает листья днем и закрывает на ночь, он поместил растение в ящик, чтобы проверить, не реагирует ли оно просто на солнечный свет. Но и в темноте листья продолжали раскрываться и закрываться в прежнем ритме. Де Мейрен решил, что поведение растения определяется иными внешними факторами, изменением температуры или магнитного поля, но вовсе не течением времени.
Циркадные ритмы
Поведение часто отражает физиологические процессы, повторяющиеся с цикличностью, примерно соответствующей 24-часовому периоду обращения Земли вокруг своей оси. Уровень гормона сна мелатонина возрастает ночью и падает в течение дня, в то время как температура тела — ровно наоборот. Немецкий ботаник Эрвин Беннинг в 1930-е годы открыл, что разным сортам бобовых нужно разное время для развития побегов, а при скрещивании двух сортов время развития гибрида оказывается чем-то средним. Это предполагало наличие внутреннего хронометра, биологических часов с дневными циркадными ритмами.
Эти ритмы формируются на основе естественного цикла, циркадного ритма, который составляет не ровно 24 часа (термин «циркадный» — от circa diem, «в течение дня», лат.). Исследователь сна Чарлз Цейслер обнаружил, что в среднем циркадный цикл человека составляет 24 часа и 11 минут. Измерить его можно путем анализа физиологических маркеров, таких как гормоны, или поведенческих ритмов, типа дневной активности грызунов, или пика появления взрослых дрозофил из куколок.
Хранитель времени
Современная наука хронобиология зародилась в сарае где-то в Скалистых горах. Британец Колин Питтендрай из Принстонского университета в 1952 году проводил лето на полевой станции в Колорадо и решил повторить эксперименты Беннинга. Немец выяснил, что если поместить дрозофил в темноту и снизить температуру среды с 26 до 16 °С, их жизненный цикл (до появления взрослых особей) замедляется на 12 часов. Метаболизм состоит из химических реакций, на которые влияет окружающая температура, и потому тепло должно ускорять циркадные ритмы, а холод — замедлять, превращая биологические часы в бесполезный хронометр.
Один темный ящик Питтендрай установил возле автоклава, а второй — в сарае у заброшенной шахты. И в отличие от Беннинга он обнаружил, что пик появления на свет дрозофил в холодном сарае сдвигается лишь на час. Повторив эксперимент в Принстоне, он получил тот же результат. В конце 1950-х Питтендрай с коллегами доказали, что такой вариант компенсации изменения температуры встречается у различных организмов, включая одноклеточных простейших и споровые грибы, и, значит, биологические часы — повсеместная часть жизни.
Синхронизация
Хотя хорошие часы не реагируют на такие изменения в окружающем пространстве, как температура, они должны уметь корректировать время. Это достигается посредством применения внешнего сигнала, того, что немец Юрген Ашофф назвал zeitgeber («водитель ритма» по- немецки), который синхронизирует внутренние часы с внешним миром в ходе процесса под названием «навязывание ритма». Именно zeitgeber не позволяет циркадным ритмам отклоняться от 24-часового цикла вращения Земли.
Ключевым zeitgeber для большинства организмов является свет. «Таймер» (эталонные часы), или ритмоводитель, у млекопитающих — это SCN (супрахиазмальное, или супраоптическое, ядро), скопление нервных клеток в передней области гипоталамуса. Американские нейробиологи Роберт Мур и Ирвинг Цукер в 1972 году независимо друг от друга выяснили, что повреждение SCN нарушает циркадные ритмы у крыс. Мур зафиксировал аномальный уровень гормонов надпочечников, физиологический ответ на стресс, а Цукер наблюдал изменения в питьевом поведении и двигательной активности, животные становились активными в необычное время.
Таймер «перезагружается» в критические часы рассвета и сумерек. У млекопитающих этот свет регистрируется особым типом клеток глаза, которые не задействованы в нормальном зрении. Эти «светочувствительные нервные клетки сетчатки глаза», открытые Дэвидом Берсоном и Самиром Хаттаром в 2002 году, составляют 2% слоя над палочками и колбочками сетчатки и связаны непосредственно с таймером.
Гены внутренних часов
В одном из экспериментов Беннинг выращивал дрозофил при постоянном свете на протяжении жизни 30 поколений (около года), чтобы разрушить их циркадные ритмы. Но когда он поместил дрозофил в абсолютную темноту, ритмы восстановились. Это доказывает, что организм следит за временем не при помощи специфической памяти, внутренние часы наследуются генетически.
«Циркадные ритмы отражают экстенсивное программирование биологической активности, которая использует вызовы и возможности, предлагаемые природными циклами окружающей среды» Колин Питтендрай
Механизм внутренних часов, их шестеренки, — это белки, уровень содержания которых меняется в течение дня. Эти белки кодируются «генами биологических часов». Первый такой ген был открыт в 1971-м американскими генетиками Роналдом Конопкой и Сеймуром Бензером, которые нашли три мутировавшие формы мушек с аномальным временем вылупления (обычно взрослая особь вылупляется ранним утром, в конце ночного периода): дрозофилы с длинными циркадными ритмами (которые вылуплялись слишком поздно), с более короткими ритмами (вылуплялись слишком рано) и мушки вовсе без ритма (вылуплялись в случайное время суток). Мутация, определившая их поведение, обнаружилась в одном и том же участке ДНК, этот ген теперь называется «период».
Компоненты биологических часов у разных видов различаются, но базовый механизм одинаков. В зависимости от активности «часового гена» уровень кодируемых им белков поднимается или падает, что определяет, присоединяются ли белки к ДНК и включают/выключают гены, ответственные за поведение. Например, ген tok1 контролирует время, когда растения просыпаются по утрам и закрывают поры в листьях, чтобы предотвратить утрату жидкости, по вечерам. Все составляющие взаимодействуют и регулируют деятельность друг друга по типу обратной связи.
Циркадные ритмы человека
Внутренние биологические часы регулируются таким внешним механизмом, как свет, который влияет на физиологические процессы, определяющие нашу ежедневную активность и поведение. Уровень мелатонина, например, растет по ночам и снижается в течение дня, и от него зависит наше желание спать.
Ночное освещение
Сон - это самое важное из состояний, регулируемых внутренними часами. У человека циклы свет-тьма и сон-бодрствование были строго синхронизированы тысячелетиями, но технологии изменили эту ситуацию: авиаперелеты вызывают джетлаг, поскольку солнечный свет вступает в конфликт с часами, которые диктуют «время спать»; искусственное освещение позволяет людям регулярно перезагружать собственные внутренние часы, особенно если они работают посменно. Циклы свет-тьма и сон-бодрствование контролируются внутренним хронометром и гомеостатом сна, расположенными в гипоталамусе. Связь между усталостью и голодом неудивительна, принимая во внимание, что гипоталамус контролирует обе эти функции, - тогда становится понятно, почему среди ночи нам хочется перекусить, когда надо бы спать. Кроме «хронометра» в мозге существуют еще «часы раба», рассеянные по телу, и они синхронизируются не светом, а иными внешними регуляторами. Печень, к примеру, подстраивает наше внутреннее время всякий раз в процессе приема пищи. Нарушение синхронизации, еда по ночам, ведет к плохому самочувствию, нарушениям сна, депрессии и ожирению.
