Мозг – повелитель времени - Дин Буономано

В конце 1990-х гг. в результате изучения истории пяти поколений семьи, в которой было много очень ранних «жаворонков», выяснилось, что для некоторых подобных нарушений существует генетическое основание. Как минимум один представитель этой семьи (который в качестве добровольца участвовал в эксперименте и провел 18 дней в изоляции) имел цикл сна и бодрствования около 23 ч, тогда как в норме этот цикл чуточку превышает 24 ч.

В 2001 г. ученые идентифицировали генетическую мутацию, связанную с семейным синдромом смещения фазы сна. Первый идентифицированный ген, связанный с нарушением циркадного ритма у человека, оказался тем же самым геном Period, который Бензер и Конопка обнаружили в 1970-х гг. в экспериментах с дрозофилами, что в очередной раз подтверждало ценность многолетних экспериментов на грызунах и дрозофилах⁵⁸. Люди с семейным синдромом смещения фазы сна живут в 23-часовом ритме в мире, где все подчинено 24-часовому ритму. Им постоянно приходится бороться со своими внутренними часами.

Однако не обязательно иметь мутацию в гене Period, чтобы столкнуться с такой же проблемой. В современном мире значительное число людей работает посменно: заводские рабочие, пилоты самолетов, медсестры, врачи и полицейские часто работают по ночам и вынуждены спать днем. Цикл сна и бодрствования таких людей обычно не совпадает с их биологическим ритмом. Проблема усугубляется еще и тем, что многие постоянно вынуждены перестраивать свой цикл: они ведут активный образ жизни ночью во время рабочей недели и днем в выходные. Не удивительно, что сменная работа является фактором риска развития целого ряда патологий, включая язву, сердечно-сосудистые заболевания и диабет 2 типа.

Причины этих проблем не до конца понятны, но отчасти они являются результатом несоответствия внутренних физиологических циклов и внешних стимулов. Например, концентрация таких гормонов, как инсулин, обычно повышается в период перед приемом пищи. Хроническое несоответствие между ожиданием приема пищи и ее получением, возможно, способствует развитию диабета⁵⁹. В экспериментах на мышах было показано, что удаление генно-инженерным путем биологических часов из клеток поджелудочной железы при их сохранении в супрахиазматическом ядре и других органах повышает вероятность развития диабета. Это подтверждает, что координация многих биологических ритмов нашего организма является важнейшим условием физиологического здоровья⁶⁰.

Пагубное влияние образа жизни, не соответствующего биологическому ритму, демонстрировалось неоднократно. В связи с этим возникает вопрос: может быть, лучше вообще не иметь внутренних часов, чем бороться с проблемой десинхронизации? Как ни странно, на этот вопрос можно ответить утвердительно. Как было сказано, хомяки с мутацией генов циркадного ритма могут иметь свободный циркадный ритм с периодом намного больше или намного меньше 24 ч. При одной из мутаций период циркадного ритма составляет 22 ч. В 24-часовом мире такие хомяки живут меньше, чем их немутантные родичи. Но повреждение супрахиазматического ядра этих животных приводит к увеличению продолжительности жизни. Это удивительный пример ситуации, когда какая-то часть мозга, кажется, приносит больше вреда, чем пользы⁶¹.

Способность правильно распределять физиологические функции, предвидеть восход солнца и прием пищи является полезной адаптацией, но если биологический ритм не соответствует ритму внешнего мира, могут возникнуть столь серьезные проблемы, что лучше вовсе обойтись без внутренних часов. Возможно, когда-нибудь люди переселятся на другие планеты, и маловероятно, что период вращения какой-нибудь планеты из зоны обитаемости будет находиться в резонансе с нашим биологическим ритмом. Например, период вращения Марса близок к земному (24 ч и 39 мин), а вот на Меркурии «сутки» длятся более 58 земных суток. Таким образом, если этот момент наступит, возможно, правильнее будет не бороться со своими внутренними часами, а отключить их навсегда.

ПРИНЦИП МНОЖЕСТВЕННОСТИ ЧАСОВ

Атомные часы в Национальном институте стандартов и технологий необычны не только тем, что обладают сверхъестественной точностью, но и тем, что измеряют время в невероятно широком диапазоне — от наносекунд до лет. Умеют ли биологические часы, спрятанные в супрахиазматическом ядре, определять время в разных временны́х диапазонах? С ними ли связана наша способность отличать целую ноту от половины ноты, оценивать время ожидания в кафе или контролировать 28-дневный менструальный цикл?

Один из первых подходов к решению этого вопроса заключался в том, чтобы понять, влияет ли изменение биологического ритма людей, находившихся в изоляции от внешнего мира, на их способность оценивать события в более коротких временны́х интервалах. В одной серии экспериментов добровольцев просили нажимать на кнопку каждый раз, когда, по их мнению, прошел один час. В период 16-часового бодрствования один человек нажимал на кнопку примерно каждые 2 ч, а в период 44-часового бодрствования — примерно каждые 3,5 ч. В целом наблюдалась корреляция между длительностью циркадного цикла и субъективной оценкой часового интервала. На этом основании можно было заключить, что биологические часы служат для оценки самых разных временны́х интервалов, включая такие короткие, как в музыкальных ритмах или сигналах светофора. Но оказалось, что это не так. Когда людей просили нажимать на кнопку через интервалы в пределах от 10 до 120 секунд, устойчивой связи с длительностью биологического цикла не наблюдалось.

Отсутствие связи между периодом циркадного ритма и оценкой интервалов времени в пределах нескольких секунд или минут вполне соответствует экспериментальным данным, которые показывают, что для определения времени в разном диапазоне у животных имеются разные инструменты⁶². Например, в экспериментах с грызунами было показано, что мутации, нарушающие циркадный ритм, или повреждения супрахиазматического ядра не влияют на способность оценивать длительность событий, происходящих в пределах нескольких секунд⁶³. В следующей главе мы поговорим о том, как ученые догадывались о субъективных ощущениях животных относительно длительности интервалов времени.