Часы слишком хороши, если вы не имеете возможность их подстраивать. Некорректируемые биологические часы были бы совершенно бесполезны, если бы их период не был в точности равен периоду вращения Земли. И все же, даже если бы часы были устойчивы к температурным подскокам в случае лихорадки, холодной или жаркой погоды, не реагировали на гормональные и эмоциональные расстройства, некоторое различие между внутренним и внешним периодом было бы не исбежно. Очевидно, для поддержание синхронности недостаточно просто близости периодов. Для этого нужно ритмический сигналов, механизм ежедневного согласия и подстройки. Основа целесообразности любых биологических часов именно в такой подстройке фазы, в способности по сигналу перепрыгивать из одной временной зоны в другую и таким образом сохранять правильную фазу, не перемещаясь в пространстве, несмотря на неизбежное не совпадение периодов.
Этот процесс называется захватыванием ритма. Один ритм может быть захвачен другим ритмом с иным периодом по средствам регулярного повторяющегося сигнала. Для циркадианных ритмов обычным, естественным сигналом является свет. Под воздействием света внутренние часы немного отстают или, наоборот, уходят вперед. Существуют и другие свойства настройки биологических часов, но подавляющие большинство живых существ приспособились к тому событию, которое надежнее всего повторяется каждый день, - к чередованию света и темноты – и выработали наибольшую чувствительность своих циркадианных часов именно к этому фактору.
Общая закономерность, – ведущая роль света как сигнала времени – оспаривалась только в отношение человека, частично потому, что люди, как и большинство других организмов, иногда в отсутствие регулярного цикла освещения используют для ориентации другие органы чувств. Но главная причина, заставившая усомнится в роли света для человека, состояла в том, что «дневной свет», использовавшийся в первых лабораторных экспериментах по изучению изоляции от времени, оказался не столь эффективным для захватывания циркадианных ритмов человека по сравнению со светом такой же интенсивности для ритмов других животных. Следует ли из этого заключить, что часы человека уникально безразличны к действию света? Отнюдь, скорее это говорит о том, что комнатный свет слишком слаб для биологических часов человека, чтобы приравнивать его к дневному.
Есть всякие основания предполагать, что ведущие циркадианнае часы у человека находятся в мозге и прямо связанны с глазами эпифизом (шишковидной железой). Альфред Леви с коллегами из Национального института здоровья в Бетесде установили, что свет подавляет секрецию мелатонина в эпифизе у человека, как и у других млекопитающих, но для горожан нужно на удивление много света, больше, чем бывает в помещении: для эпифиза у человека комнатный (электрический) свет – все равно, что ночь. Однако даже рассеянный свет с улицы сразу подавляет секрецию мелтонина. Этот гормон головного мозга имеет прямое отношение ко сну и к циркадианным часам. Например, у грызунов ежедневно инъекции мелатонина могут захватить и синхронизировать часы. Если окажется, что у человека мелатонин опосредует сдвиг фазы циркадианных часов, то данные Льюи будут представлять интерес для антропологов, специалистов по дизайну, для тех, кто работает в разные смены и совершает трансмеридианные перелеты. Пока лекарство для сдвига фазы будет создано и получит одобрение минздрава, для путешественников приятным средством может быть пребывание на солнцепеке. Разумеется, солнечный свет не менее важен и для тех, кто никуда не ездит, но нуждается в ежедневной синхронизации своих внутренних ритмов. Неудача такой синхронизации может привести к сонливости в дневное время и бессоннице ночью - достаточно распространенным расстройством сна. В этой связи могут представлять интерес данные Даниэля Крипке с соавторами, которые исследовали количество, и распределение во времени света, падающего на среднего нормального человека в течение среднего дня. Оказалось, что даже на юге солнечной Калифорнии количество света столь мало и распределенною столь нерегулярно, что остается лишь диву даваться, каким образом современному человеку удается (и удается ли?) поддерживать свои циркадианные ритмы поддерживать в должном порядке.
Спонтанные циркадианные ритмы обнаружены едва ли не у каждого вида живых существ. Возможно, исключение составляют обитатели морских глубин и подземных пещер, а также прокариоты (бактерии и сине-зеленные водоросли, клетки которых не имеют ядра и митохондрий). Циркадианные колебания обычно наблюдаются у более высокоорганизованных одноклеточных организмов и у изолированных тканях многоклеточных организмов. Тем не менее, и у позвоночных, и у беспозвоночных животных часть нервной системы обычно играет роль циркадианного ритмоводителя для всего организма. Мишель Менакер с сотрудниками показал, что у некоторых птиц (не у всех) эту функцию выполняет эпифиз, ритмично выделяющий в мозге гормон мелатонин. Деятельность эпифиза регулируется светом, проникающим сквозь темную часть черепа. У воробья даже удается сдвинуть фазу циркадианного ритма, пересадив ему эпифиз птицы, живущей в иной временной зоне.
У грызунов эпифиз выделяет мелатонин тоже ритмично, но под контролем скопление нейросекреторных клеток – супрахиазменных ядер, расположенных слева и справа в гипоталамусе, над перекрестием зрительного нерва. Эти парные часы получают информацию о свете и темноте от глаз. Ежедневные порции мелатонина в свою очередь синхронизируют циркадианные колебания. У обезьян подобную роль играют супрахиазменные ядра. Люди – пациенты с травмами в этой области гипоталамуса – страдают расстройствам ритма, что позволяет предпологатьсходную роль
супрахиазменных ядер и у человека. Фазу ритмов этих ядер можно сдвинуть светом через зрение, электрическим раздражителем, инъекцией в мозг аналога нейромедиаторов, вызывающих нормальные разряды нейронов, а также мелатонином. Покрайне мере у грызунов удаление эпифиза позволяет позволяет супрахиазменным ядрам быстрее приспосабливаться к новым временным зонам. Быть может, панацеей от десинхроноза, вызываемого трансмеридианным перелетом, окажется какой-нибудь препарат, подавляющий функцию эпифиза на то время, пока мы приспосабливаемся к чужому распорядку дня.
Секреция эпифизом мелатонина стимулируется психомиметиками – такими препаратами, как ЛСД, мескалин и кокаин, - и подавляется препаратами, используемыми для лечения психозов. Недавно выяснилось, что бензодиазепин, широко применяемый антидепрессант, подстраивает фазу циркадианных часов у грызунов, возможно, действуя на нейромедиаторы в супрахиазменных ядрах гипоталамуса. Это указывает на некоторую связь между психическими заболеваниями и расстройствами циркадианных ритмов, особенно между депрессией и нарушением сна.
Любопытно, что человеку для подавление секреции мелатонина требуема гораздо больше света, чем другим млекопитающим. Интересно, разделяют ли домашние собаки со своими хозяевами эту странную не чувствительность к свету? Быть может, это последствие комнатного освещения в ночное время на протяжение жизни тысячи поколений? Если бы циркадианные ритмы человека реагировали на тусклое освещение (что, кстати, наблюдается у лабораторных грызунов), они должны были бы быть в постоянном разладе, и люди, помимо других проблем, постоянно испытывали бы дополнительный стресс. Индивидуумы, менее чувствительны к свету, могли страдать от этого, их репродуктивная система в меньшей степени была бы подвержена стрессу, стал быть, они имели бы большой успех при размножение. Что, если человек и его домашние животные испытывали давление естественного отборов на нечувствительность к тусклому свету? И если так, то значительно большая чувствительность могла сохраниться и у людей, живущих доныне в каменном веке: у тасадеев с филиппинских островов Минаданно, у маори и у жителей Огненной Земли, предки которых меньше подвергались действию ночного освещения – гипотического нарушителя циркадианных ритмов. Будет ли эта врожденная, генетически наследуемая чувствительность безвозвратно утрачена еще до конца нашего века?
Если синхронность циркадианных ритмов действительно поддерживается путем ежедневной экспозиции при дневном освещение, то интересно, каким образом это достигается? И что даст исследование этого процесса для понимания природы внутренних часов?
Модно поставить несложный опыт с фоточувствительным организмом, циркадианный ритм которого остается четким и устойчивым, если нет никаких сигналов времени. Удобный биологический объект для этого – комар. Как и большинство других животных, комары обладают выраженным циркадианным ритмом активности-покоя, сохраняющемся даже в замкнутом помещение при постоянной темноте и неизменной температуре – в этом случае его период составляет около 23 часов. В таких условиях активность комара регистрируется по звуку его полета. Специальные приборы позволяют подсчитывать за каждый час число минутных интервалов, когда слышится занудный писк. В камере с комарами этот писк постепенно нарастает и перед рассветом достигает крещендо, переходя в тонкий протяжный вой, затем смолкает – и вновь усиливается перед закатом (или, точнее говоря, когда комары чувствуют приближение утренних или вечерних сумерек). У девственных самок кровососущего комара Cuiex pipiens quinquefasciatus, которыми занимались Эрик Петерсон, более четко выражен вечерний пик летней активности, и именно он выбран за нуль фазы в циркадианном цикле насекомого.
Что может быть сигналом времени для комара? Чтобы не запутывать эксперимент, сигнал следует давать один раз в течение определенного периода времени. Петерсон использовал белый свет, по интенсивности соизмеримый с естественным дневным. Комары находились в постоянной темноте, и только один раз за весь эксперимент был дан яркий свет. В разных камерах этот световой
импульс приходился на разную фазу циркадианного цикла, и в каждой камере наблюдали, что ритм активности комаров возобновлялся, но с подстроенной фазой. В настоящем опыте ритм после воздействия стимула некоторое время может быть искаженным даже подавленным, но, в конце концов, возвращается к норме.
Подстройку фазы можно считать сдвигом в сторону опережения или задержки. Опыт не позволяет сделать выбор в пользу одного из этих двух вариантов итерпритации процесса, происходящего внутри часов. Возможно, этот процесс вовсе не поддается описанию в терминах опережения или задержки. Дабы избежать допущения о ненаблюдаемом, принято говорить о подстройке фазы как о переходе от старой фазы – фазы ритма, на которую пришлось начало стимула, - к новой фазе – фазе сдвинутого ритма, экстраполированной назад, к моменту окончания стимула. (В этом случае, если стимул постепенно ослабевает и сходит на нет, за его конец принимают точку, относящуюся от начала на один период цикла.)
Поскольку известно, что циркадианные часы поддаются захватыванию, следует ожидать, что величена сдвига фазы при подстройке зависит от старой фазы: ведь стимул, вызывающий один и тот же эффект в любое время, не может быть полезным сигналом времени. Какова же зависимость новой фазы от старой? Если бы стимул не вызывал никакого эффекта новая фаза была бы равна старой (плюс положительного стимула – но она постоянна). Между тем, данный стимул оказывал некоторое сигнальное воздействие на биологические часы, то есть ход часов был замедлен (или, возможно, ускорен).
Каким образом происходит подстройка фазы? Результат подстройки, не вдаваясь в сам процесс, можно описать – к счастью, ибо до сих пор никто не знает механизм ни одних циркадианных часов. Сущность принципа подстройки состоит в том, что любой сигнал времени (например, 14 часов дневного света) по-разному действует на ход внутренних часов, в зависимости от того, когда именно в цикле часов этот сигнал начался. В первом приближении конечный результат действия сигнал времени можно рассматривать просто как сдвиг фазы внутренних часов: если бы эффект не был по происшествие периода после начала сигнала, часы вернулись бы к исходной, «старой» фазе, однако на деле они оказываются в другой, «новой фазе». В данном случае часы подстройки ничем не отличаются от невозмущенных (интактных) часов, которые еще период назад, в момент окончание сигнала, уже находились в новой фазе. Поэтому конечный результат подстройки для возмущенных часов таков, как будто сигнал мгновенно сдвинул фазу часов из старого положения в новое. В характере зависимости новой фазы от старой таится многое. Кривые такой зависимости были неоднократно описаны в специальной литературе, но под разными названиями. В реферате будет использоваться сокращенное название термина «кривая подстройка фазы», или сокращенно, КПФ.
Трудно переоценить важность получения КПФ для человека. Знание КПФ имеют решающие значение для разработки мер профилактики десинхроноза, возникающего из-за «перепада времени» – после трансмеридианных перелетов, при сменной работе, а также, возможно, при периодической серьезной депрессии, бессоннице и слабости в дневное время. Регулярное пребывание на дневном свету в строго определенное время суток может порой стать щадящей заменой кофеина, снотворных таблеток и антипрессантов. В настоящее время проводятся широко масштабные эксперименты по изменению КПФ человека. Они должны открыть возможности повышения эффективности захватывания циркадианных ритмов человека ежедневным циклом света-темноты.
Если сигнал времени (дневной свет) повторяется регулярно, всякий раз, подстраивая часы в соответствии с КПФ, и если к тому же сама КПФ все время остается неизменной, то последствия (результирующую фазу) можно предсказать с математической точностью. Результаты захватывания хорошо объяснимы и вполне согласуются с данными экспериментов. Регулярное периодическое повторения воздействия одним и тем же стимулом может привести к вечному хаотическому блужданию фазы; либо к стабильному захватыванию, кода всякий раз к началу
19 воздействия часы приходят в одну и туже фазу: либо к ситуации, когда к началу сигнала часы приходят то в одну то в другую фазу – через раз: либо тоже самое, но с повторением каждые 4 или 5 периодов и т. д. Все зависит от соотношения собственного периода часов и периода стимуляции, а также, разумеется, от силы и характера стимула и от устройства часов. Для таких часов, которые сразу после воздействия стимула возвращаются к своему циклу (лишь со сдвигом фазы), чтобы предсказать результат, достаточно знать КПФ.
Какие формы может принимать КПФ? Начнем с буквальной модели часов, к часовой стрелке механических часов подвешен груз, который тянет стрелку вниз, а за ней изменяет скорость хода и весь механизм часов. Представьте себе, что циферблат часов рассчитан на 24часа, а не на 12, как обычно. Тогда в 0 и 12 часов груз не будет влиять на скорость движения стрелки, но в 6 часов он может его ускорить, а 18 – напротив, замедлить. Если снять груз, часы будут показывать не то время, что с грузом. Что же именно будут показывать часы? Это зависит от веса груза и от того, как долго он будет висеть и в каком часу его подвесят? То есть кратковременное приложение груза в 6 часов вызовет некоторое опережение фазы, а в 18 часов – небольшую задержку.
Циркадианные часы похожи на механические в трех отношениях: их период после возмущения быстро возвращается к норме, соответствующим образом подобранный стимул может заставить их отклониться от диагональной линии «новая фаза «, и величина этого отклонения плавно зависит от времени воздействия.
Однако циркадианные часы фундаментально отличаются от модели: их КПФ не всегда является простым изгибом диагонали. Это свойство циркадианных часов было открыто совсем недавно, и из него вытекают удивительные следствия. Их КПФ легче представить в виде '' бублика'' или тора.
Какого рода кривые могут разместиться на торе? Если КПФ для каждого значения старой фазы дает единственное значение новой, то кривая должна быть замкнута в кольцо: за один оборот старой фазы новая фаза, непрерывно изменяясь в одном направлении, вернется к своему исходному значению, замкнув собственный цикл. Если новая фаза = старая фаза, то КПФ пройдет по диагонали нашей координатной сетки, начиная с точки пересечения двух координатных осей, пересечет экватор, при этом, совершая один виток и проходя через центральное отверстие, и вернется к исходной точке, замыкая кольцо. Такой тип подстройки характерен для любых биологических часов при очень слабом стимуле.
Теперь рассмотрим ситуацию, когда фазы оказывают несколько большее воздействие чуть более сильный стимул – КПФ изменится ненамного. Применительно к модели часов, даже если эффект от стимула не мал, КПФ остается качественно той же: по-прежнему она замкнута в кольцо, один раз проходящее через отверстие тора. Это – единственный тип кривой, свойственный любым часам, которые называются простыми, которые могут лишь ускорять и замедлять свой ход, причем только в зависимости от внешних условий (силы воздействия) и собственной мгновенной (текущей) фазы. Такой тип подстройки часов называется подстройкой типа один, или нечетной подстройкой.
В придельном случае этого нового типа подстройки фазы достаточно сильный стимул независимого от времени воздействия возвращает систему всякий раз в одно и тоже состояние: новая фаза постоянна и не зависит от старой. Такой тип подстройки, представленный КПФ, которая вовсе не делает витков во круг тора, называется подстройкой типа 0, или четной подстройкой, потому что кольцо КПФ образует нуль (четное число) витков. Иногда его называют сильной подстройкой, поскольку он с необходимостью предполагает опережение и (или) задержки фазы, превышавшие по величине половину цикла. Нечетная подстройка, как мы уже знаем, представлена КПФ, которая навивается на тор +1 раз. Иногда ее называют слабой подстройкой, потому что она получается при очень малых сдвигах фазы и всегда бывает при крайне слабых воздействиях. Однако важно именно число витков, а не величина смещения фазы. Последняя бывает обманчивой.
Вопросы о топологии КПФ впервые были поставлены (и решены) менее 20 лет назад. Как это часто бывает в науке, появление теории позволило признать, наконец, явление, которое давно уже
было описано, но как-то все не укладывалось в головах ученых, пока для него не были построены концептуальные рамки. Как и многие другие новые понятия в науке, четная подстройка фазы не воспринималась в течение десятилетия, несмотря на опубликование экспериментальных данных.
Первые сведения о четной подстройке фазы были получены на одноклеточной свободноплавающей водоросли – жгутиконосце Gonyaulax. Она бурого цвета от хлорофилла и сопутствующих пигментов, которые очень эффективно используют в течение дня солнечный свет. Ночью Gonyaulax занята совсем другим делом: размножается путем деления клетки пополам. По ночам она еще светится тусклым еле заметным голубым светом – до тех пор, пока клетки не подвергнутся механическому возбуждению. Если проплывающая мимо рыбка заденет клетки, они тут же ярко вспыхнут, и мы увидим тянущийся за рыбой мерцающий шлейф биолюминесценции. В лабораторных условиях, без всяких рыб, фотоумножитель показывает, что клетки все равно спонтанно светятся, причем особенно ярко, – когда по их внутренним часам ночь (при изоляции от обычного цикла света-темноты пик свечения наблюдается каждые 23 часа).
В эксперименте большое число одинаковых пробирок с водорослями содержались в условиях изоляции от времени. На каждую пробирку действовали импульсом яркого света – в разное время, при различных старых фазах циркадианного цикла клеток. Для разных пробирок, (по мере возрастания старой фазы) импульс приходит спустя все большее время после максимума свечения. Подстройка часов во время светового импульса происходит в каждой пробирке в зависимости от величины старой фазы. Последующие максимумы свечения наступают соответственно с опережением или опозданием. При старой фазе около 6 часов реакция клетки резко меняет знак: от значительной задержки фазы к еще большему опережению. Так проявляется критический момент в механизме циркадианной ритмичности.
Или, быть может, это лишь видимость критического момента. В самом деле, данные о задержках и опережениях фазы правильнее было бы назвать одним из вариантов объяснения данных. Рассмотрим другой вариант. Пики свечения можно соединить и непрерывной линией, изгибающейся вдоль диагонали, параллельной полосе световых импульсов, и другой кривой, лежащей на 23 часа ниже, и еще ниже и так далее – нет никакого разрыва. Непрерывные кривые изгибаются вдоль горизонтали, а не диагонали, и повторяются одна под другой с интервалом 23 часа. Новая фаза в момент окончания стимула (или спустя 23, 46, или 69 часов после этого) есть время, истекшее с момента предыдущего пика свечения. И здесь тоже нет разрыва. С таким же парадоксом мы сталкивались при пересечении линии смены дат.
Дело в том, что ни один из двух графиков не доказывает ни разрывность, ни непрерывность: на самом деле мы располагаем лишь горсткой эмпирических точек, и любая кривая, проведенная через них, есть не более чем линия интерпретации наблюдателя. Выбор непрерывной или разрывной кривой - дело вкуса.
Тем не менее, с годами накапливалось все больше данных, собранных в разных лабораториях на разных организмах, но при одинаковой схеме эксперимента. Все труднее стало рисовать правдоподобную разрывную кривую. Непрерывность кривой теперь не вызывает сомнения. Тем не менее, следуя прокрустовой логике, непрерывную кривую обычно разрезают на два куска и вставляют между ними 24-часовой прыжок, не содержащий ни одной экспериментальной точки. Таким путем данные экспериментов обычно подгоняются под мнимый нечетный тип подстройки фазы пои сохранении видимости опережений и задержек фазы, разделенных точкой разрыва. После такой искусственной процедуры можно позволить себе порассуждать о генетическом, биохимическом и эволюционном значении столь резкого скачка фазы. Однако это умственное упражнение до сих пор оставалось бесплодным. К тому же считается простым совпадением то обстоятельство, что скачок фазы точно равен периоду ритма, а также то, что опережающая ветвь кривой, вверху у самого разрыва, имеет в точности тот же наклон, что и запаздывающая ветвь, внизу у самого разрыва.
Если этот прыжок фазы, не содержащий ни одной экспериментальной точки, оказывается артефактом, то его альтернатива – непрерывная кривая – приводит к еще более странному следствию.