Циркадный код. Как настроить свои биологические часы на здоровую жизнь
Шрифт:
По мере того как меняются времена года и долгота дня, наши циркадные ритмы приспосабливаются к изменению времени восхода и захода солнца. Очень долго мы не имели ясного представления о том, как эти циркадные ритмы переходят на новое время восхода или заката и как на них влияет свет. Но наши исследования показали, что те же самые рецепторы голубого света переводят стрелки биологических часов человека, когда при смене времен года меняется долгота дня или когда мы пересекаем несколько часовых поясов. Кроме того, они прямо или косвенно связаны с участками мозга, которые контролируют депрессию, алертность, сон, производство гормона сна мелатонина, и даже с мозговым центром, контролирующим мигреневые головные боли.
У меланопсина есть еще одна особенность: для его активизации требуется очень много света. Например,
Эти открытия помогли нам составить первое представление о механизме воздействия света на здоровье. Современный образ жизни, при котором б'oльшую часть времени мы проводим в помещении, уткнувшись в яркие дисплеи, и выключаем яркое освещение ночью, активирует меланопсин в неурочное время, что постепенно приводит к нарушению циркадных ритмов и сокращает производство гормона сна мелатонина. В результате мы теряем способность получать достаточное количество восстанавливающего сна. Если б'oльшую часть дня мы проводим в помещении, то нам не удается согласовать свои циркадные часы с циклом день – ночь, так как тусклое искусственное освещение не способно в полной мере активировать меланопсин. Поэтому мы не можем стряхнуть сонливость и достичь необходимого уровня алертности. Через несколько дней или недель такой жизни у нас развивается депрессия или тревожность.
Сейчас, когда нам намного больше известно о том, как определенное количество, качество и длительность воздействия света может влиять на наше здоровье, мы начинаем осознавать, что внесение небольших изменений в технологию изготовления осветительных приборов, компьютерных дисплеев и очков может реально способствовать улучшению нашего здоровья.
Глава 2
Как работают циркадные ритмы: выбор времени – это всё
В ходе дальнейших исследований мы получили новую информацию о наших внутренних часах. Все живые существа подвергаются воздействию неизбежного и предсказуемого изменения окружающей среды: день сменяется ночью. Неважно, где обитают эти существа: в пустыне, горах или тропических лесах. Неважно, жили они миллиард лет назад или живут сегодня. Для того чтобы справиться с этим предсказуемым ежедневным чередованием светлого и темного времени суток, почти каждый живой организм создал у себя внутреннюю систему выбора времени, или циркадные часы.
Каждый живой организм тратит 24 часа суток на:
получение энергии (пищи);
оптимизацию использования энергии, расходуя часть на поддержание повседневных функций, а часть сохраняя для последующего использования;
защиту от вредоносных агентов и хищников;
устранение повреждений или рост;
размножение.
Все перечисленные функции управляются циркадными часами, которые оптимизируют способности организма к выполнению данных задач, выделяя для каждого из этих важнейших аспектов жизни наиболее подходящее время дня или ночи.
Растения подчиняются циркадным ритмам, которые отмеряют период, примерно равный 24 часам, и предсказывают время восхода и захода солнца. Это позволяет растениям получить оптимальное количество солнечного света и углекислого газа, необходимое для производства пищи. Растения поднимают листья за час-два до восхода солнца и активируют ряд генов, чтобы приступить к использованию света с первыми лучами солнца. В конце дня растения останавливают механизм сбора солнечного урожая за час-два до заката, чтобы не тратить лишние усилия на работу фабрики по производству пищи после наступления темноты. Когда наступает вечер, листья растений поникают, словно готовятся спать.
Кроме того, у растений есть суточные ритмы, которые указывают, в какое именно время им нужно цвести. Этот ритм растений согласован с ритмом опылителей – пчел и насекомых, которые питаются цветочным нектаром. Крупные травоядные, такие как коровы и верблюды, щиплют растения в светлое время суток, а мелкие грызуны лакомятся фруктами и овощами ночью, чтобы уберечься от хищников. Другими словами, растения используют свои циркадные часы, чтобы просыпаться, быть активными и питаться в самые безопасные периоды суток. Даже хлебная плесень нейроспора,
Как вам известно из предыдущей главы, на первый взгляд может показаться, что этот тонкий механизм выбора времени контролируется светом. Однако генетические исследования позволили мне и другим ученым совершенно точно определить, как работают циркадные часы. Мы выяснили, что влияние, которое оказывает на них свет, не играет решающей роли и основной контроль над механизмом выбора времени осуществляется изнутри, генами.
Генетика циркадных часов
Тело человека состоит из миллионов клеток, специализированных по месту их расположения: разные клетки составляют разные части тела – от пальцев ног до головного мозга. При этом каждая из миллионов специализированных клеток содержит один и тот же геном, или всю наследственную информацию, полученную нами от родителей. Эта информация зашифрована в нашей ДНК, отдельные сегменты которой, являющиеся носителями данной информации, называются генами. Одни гены формируют наши видимые черты, такие как цвет глаз. От других зависят наши биологические характеристики, такие как группа крови и предрасположенность к отдельным заболеваниям, а также тысячи биохимических процессов, включая работу циркадных часов.
Эти процессы осуществляются разными видами белков. Одни белки называются ферментами и работают как строительные инструменты (дрель, молоток, стамеска и т. д.). Внутри каждой клетки ферменты занимаются множеством разных дел, например таких, как производство холестерина и расщепление жиров. Вторые белки служат структурными элементами клеток, как части вашего дома (стены, двери и т. д.). Третьи белки, мелкие, действуют как гормоны (хотя не все гормоны являются мелкими белками) – химические сигнальные вещества, контролирующие функции органов. Одни белки живут долго, в то время как у других продолжительность жизни невелика.
Состояние здоровья наших органов и развитие тех или иных заболеваний зависят от наличия у нас определенных генов и уровня их экспрессии: от того, включен ли конкретный ген и является ли он нормальным. Например, вы когда-нибудь замечали, что некоторые люди могут есть все, что хотят, в то время как другие жалуются, что некоторые продукты, чаще всего молочные, вызывают у них симптомы нарушения пищеварительных процессов, такие как газы, вздутие живота или запор. Причиной этого состояния становится мутация гена, помогающего расщеплять молоко и усваивать содержащиеся в нем питательные вещества.
Сравнивая гены-мутанты с нормальными, можно многое узнать о том, как должны работать гены, и о последствиях любых аномалий. Например, чтобы понять, как работают наши циркадные часы, ученые наблюдали за поведением животных-мутантов, чьи часы слишком спешили или отставали. В 1971 году американские генетики, профессор Калифорнийского технологического института Сеймур Бензер и аспирант Рон Конопка, взяли тысячи плодовых мушек дрозофил и занялись изучением их поведения в условиях индивидуальной изоляции и постоянной темноты. Молодые мушки обычно проявляют активность на рассвете и в сумерках, отдыхают днем и спят ночью. Даже в постоянной темноте плодовые мушки продолжали следовать этому ритму, который примерно равен 24 часам. Бензер и Конопка создали несколько поистине уникальных инструментов, позволивших следить за временем засыпания и пробуждения новорожденных мушек даже в полной темноте. Воспользовавшись методом мутационного скрининга, они выявили три типа мушек-мутантов: у одних этот ритм был укорочен, у других удлинен, а у третьих вообще отсутствовал1. Кроме того, они обнаружили, что эти аномалии в работе циркадных часов у мушек-мутантов передавались по наследству, то есть имели генетический компонент. Далее было установлено, что та же самая мутация изменяла время откладывания мушками яиц. Это означало, что у плодовых мушек есть только одни внутренние часы, которые контролируются одним геном. Бензер и Конопка дали этому гену название Period (для краткости – Per).