Куда летит время. Увлекательное исследование о природе времени
Шрифт:
То же справедливо и для клеток. В 1970-х годах стало ясно, что главный генератор циркадных ритмов у млекопитающих локализуется в одной из структур головного мозга, которая называется супрахиазматическим ядром и представляет собой парное скопление порядка двадцати тысяч специализированных нейронов в области гипоталамуса, расположенного у основания головного мозга. Функции нейронов супрахиазматического ядра синхронизированы друг с другом и с циркадными ритмами. Название супрахиазматического ядра отображает особенности локализации: оно располагается прямо над зрительной хиазмой – перекрестом зрительных нервов правого и левого глаза (такое расположение исключительно удобно для сбора информации о внешнем мире) – и отвечает за регулирование суточных колебаний температуры тела, кровяного давления, скорости деления клеток и других проявлений жизнедеятельности. В регуляции функций супрахиазматического ядра принимает участие солнечный свет, но в то же время оно способно функционировать автономно. В темноте пещеры или под немеркнущим светом период активности супрахиазматического ядра в среднем составляет 24,2 часа. У отдельных индивидуумов показатели отклоняются как в сторону уменьшения, так и в сторону увеличения продолжительности цикла,
ВНУТРИ НАС ТИКАЮТ ТРИЛЛИОНЫ МОЛЕКУЛЯРНЫХ ЧАСОВ. ВСЕ ЭТИ ЧАСЫ ПОТЕНЦИАЛЬНО СПОСОБНЫ ФУНКЦИОНИРОВАТЬ В АВТОНОМНОМ РЕЖИМЕ, ПОДЧИНЯЯСЬ СОБСТВЕННОМУ РИТМУ
Вместе с тем скопления нейронов супрахиазматического ядра далеко не единственные эндогенные часы, которыми мы располагаем. За прошедшие десять лет было установлено, что почти у каждой клетки человеческого организма есть свои собственные внутренние часы. Мышечные и жировые клетки, клетки поджелудочной железы, печени, легких, сердца и других внутренних органов живут в собственном циркадном ритме. В ходе изучения историй болезни двадцати пяти пациентов, перенесших пересадку почки, выяснилось, что у семи человек пересаженная почка отказывалась подчиняться циркадным ритмам реципиента, следуя тому же экскреторному циклу, что и в организме донора. У остальных восемнадцати пациентов пересаженные почки приспособились к биоритмам новых владельцев, но адаптация осуществлялась от противного: максимальная активность пересаженной почки приходилась на время минимальной активности «родной» почки и наоборот. Даже гены, которые принимают участие в биосинтезе белка, поддерживают клетку в функциональном состоянии, управляют нашей внутренней энергосистемой и в конечном счете определяют нашу сущность, придерживаются циркадного графика. До минувшего десятилетия считалось, что циркадным колебаниям экспрессивной активности подвержен лишь мизерный процент генома млекопитающих, но в настоящее время циркадная периодичность экспрессии признана фундаментальным свойством всех генов. Наш организм переполнен часами – внутри нас тикают триллионы молекулярных часов.
Все эти часы потенциально способны функционировать в автономном режиме, подчиняясь собственному ритму. Период молекулярного цикла автономной изолированной клетки примерно равен суткам. Более того, в некоторых случаях колебания молекулярных циклов разных клеток точно совпадают по всем фазам. Изучив тысячи генов клеток сердца и печени мышей, ученые обнаружили, что экспрессии генов свойственна циркадная цикличность с некоторыми индивидуальными различиями в продолжительности циклов. Представьте себе оркестр: струнная группа – скрипки, виолы, виолончели и контрабасы – развивает сложную многоуровневую тему, медные и деревянные духовые играют контрапункт, а с задних рядов доносится грохот ударных, среди которых отчетливо выделяются эпизодические партии гонга. В отсутствие дирижера слаженная игра музыкантов превратится в бессмысленный шум. У многих видов позвоночных, включая человека, циркадными циклами дирижирует супрахиазматическое ядро, которое генерирует первичный ритм и передает сигналы настройки молекулярным часам на периферии при помощи гормонов и нейромедиаторов, добиваясь строгого согласования ритмов. Какие бы задачи ни возлагались на биологические часы, они должны обмениваться показаниями с близлежащими аналогами или хотя бы воспринимать сигналы других часов. В наших внутренних часах, вовлеченных в бесконечный разговор с себе подобными, постоянно звучит если не концерт, то история, рассказанная интерактивным способом. Человеческий организм не просто несет в себе множество часов – сумма внутренних органов и систем сама по себе является часами.
Однако и эти часы, охватившие весь организм, несовершенны, во всяком случае сами по себе. Синхронизация биологических часов с 24-часовым циклом чередования дня и ночи предполагает периодическое обнуление счета и последующий ввод данных извне – в идеале это должно происходить каждые сутки.
Главной подсказкой для внутренних часов служит солнечный свет. У человека, как и у большинства млекопитающих, энергия света поступает в мозг через глаза. Назначив дирижером нашего внутреннего оркестра супрахиазматическое ядро, мы используем глаза в качестве метрономов, трансформирующих физические сигналы времени в форматы, воспринимаемые нашей физиологией. Связь зрительного аппарата с супрахиазматическим ядром осуществляется посредством ретино-гипоталамического тракта, который представляет собой нервный проводящий путь, берущий начало на глазном дне. Импульсы, генерируемые при раздражении рецепторов светочувствительных клеток глазного дна дневным светом, поступают к дирижеру по двум отдельным каналам, побуждая разыграть симфонию сначала.
Данный процесс, именуемый захватом ритма, выполняет важнейшую задачу синхронизации ритмов множества внутренних часов, обеспечивающую функционирование организма как единого целого. При этом само супрахиазматическое ядро не поддается произвольной перезагрузке путем изменений режима освещения. За долгие годы исследовательской работы ученым удалось узнать, какие диапазоны видимого излучения наиболее благоприятны, в какие часы и как долго должно длиться воздействие для получения желаемого результата. В лабораториях по изучению сна, оборудованных специальными осветительными приборами, людям помогают переключиться на иные суточные ритмы, которые могут длиться двадцать шесть или двадцать восемь часов, либо пробуждаться в полночь и засыпать в полдень. Однако, будучи предоставленными самим себе, мы подстраиваемся под суточный ритм, задаваемый безостановочным
Однажды некая клетка забрела в пещеру и провела там множество дней и ночей. Когда-то этой клеткой был я, когда-то ею были вы, а девять месяцев назад это был кто-то из моих сыновей-двойняшек – Лео или Джошуа.
Рождаемся ли мы во времени или время зарождается в нас? Разумеется, ответ на вопрос зависит от того, что понимать под временем, хотя на самом деле не менее важно разобраться, что значит «мы» и что подразумевается под рождением. Предположим, что жизнь началась с одной-единственной клетки – полупроницаемой живой фабрики биохимических реакций и взаимодействий, генерирующей энергетические каскады, ионный обмен, цепи обратной связи и регулярные циклы экспрессии генов. Итоговые результаты ее бурной деятельности находят выражение в низкоамплитудных колебаниях электрического потенциала клеточной мембраны, фиксируемых за определенный промежуток времени. Одна клетка превращается в две, в результате многократного деления получаются тысячи новых клеток, из которых впоследствии формируется легко опознаваемый эмбрион. Супрахиазматическое ядро закладывается примерно между сороковыми и шестидесятыми сутками после оплодотворения, причем клетки возникают в одной части формирующегося мозга, а затем на шестнадцатой неделе, в середине беременности, мигрируют в область гипоталамуса. Эмбриональное развитие бабуина и человека имеет некоторое сходство. У первых автономная циркадная осцилляция клеток супрахиазматического ядра обнаруживается уже под конец беременности: в метаболической активности нейронов наблюдаются циклические спады и подъемы, а продолжительность цикла колебаний приблизительно равна двадцати четырем часам. Откуда мог появиться ритм, близкий к суточному, при полном отсутствии света? И тем не менее в метаболизме клеток четко прослеживается циркадная периодичность.
Человеческий плод обнаруживает первые признаки упорядоченного циркадного ритма раньше, чем плод бабуина, – на двадцатой неделе беременности, примерно месяц спустя после того, как клетки супрахиазматического ядра заняли причитающееся им место. Частота дыхания и сердечных сокращений наряду с интенсивностью выработки некоторых стероидных гормонов нервной системы создает циклические колебания с периодом в двадцать четыре часа. Тем не менее плод при этом не остается наедине со своими внутренними часами по примеру одного французского спелеолога, пережившего опыт автономного существования. Циркадные ритмы плода согласованы с естественным режимом чередования дня и ночи, несмотря на то что он находится в полной темноте, а ретино-гипоталамическому тракту, проводящему сигналы фоторецепторов к супрахиазматическому ядру, еще только предстоит сформироваться. Каким же образом плод узнает, что наступил день?
Разгадка тайны проста: от матери. Среди множества питательных и биологически активных компонентов, текущих сквозь плаценту, присутствуют два нейроактивных вещества – нейромедиатор дофамин и гормон мелатонин, которым принадлежит ведущая роль в синхронизации хронометра плода с объективным временем суток. У клеток супрахиазматического ядра рецепторы к обоим нейроактивным веществам появляются уже на ранних этапах формирования данной структуры в ходе эмбрионального развития. Когда мне случается лежать без сна, всматриваясь в ночную тьму, мне приятно думать, что внутриутробная жизнь зародыша выглядела примерно так же, только намного лучше. Безмятежную тишину не нарушит тиканье часов, и беспокойные вспышки мыслей, вдохновленных ходом времени, не потревожат космическое спокойствие плода, неторопливо плывущего в пространстве вне времени под покровом собственной невинности. Разумеется, это всего лишь мои фантазии. В действительности эмбрион постоянно омывается океаном точного времени, по капле перетекающего в новую жизнь. Плод живет и процветает за счет времени, заимствованного у матери.
Так для чего же может понадобиться плоду запаздывающее знание времени суток? Ученые предполагают, что таким образом новорожденный, вероятно, получит какие-то преимущества в плане выживания в первые дни после рождения. Млекопитающие, живущие в норах, к примеру кроты, мыши и суслики, зачастую вовсе не выходят на свет на протяжении нескольких дней, а то и недель после рождения. Если бы новорожденным детенышам требовалось дополнительное время на адаптацию к суточному ритму после того, как они наконец-то выползут на поверхность земли, зверьки оказались бы легкой добычей для хищников. Возможно, опыт внутриутробного переживания циркадных ритмов каким-то образом запускает внутренний механизм отсчета времени не только у подземных животных, но и у людей, готовя новорожденных к жизни в ярко освещенном мире.
Кроме того, биологические часы имеют принципиальное значение для упорядочивания деятельности внутренней среды организма. Животное уже в период эмбрионального развития представляет собой систему миниатюрных часовых механизмов, отсчитывающих циркадный такт, – миллиарды миллиардов биологических часов, обосновавшихся в клетках, генах и зачатках внутренних органов, трудятся почти двадцать четыре часа в сутки. Каждый механизм выполняет предписанные ему задачи, и без центрального тактового генератора, который вначале обретается в материнской утробе, а затем перемещается в супрахиазматическое ядро, все эти разнообразные механизмы не получат должного развития и не смогут работать в согласии друг с другом. Если желудок потребует пищи в первом часу, а пищеварительные ферменты подоспеют только час спустя, пища не усвоится. Внутренние часы матери упорядочивают функции основных физиологических механизмов, поддерживающих жизнедеятельность плода, или, как выразился автор одной журнальной статьи, «устанавливают внутренний временной порядок», пока биологические часы самой особи еще не сформировались. Кроме того, единый ритм существования способствует интеграции физиологии эмбриона в процессы жизнедеятельности материнского организма, подчиняя питание, пищеварение и обменные реакции двух разных индивидуумов общему графику. В конце концов, до самого рождения плод остается частью матери в буквальном смысле слова и представляет собой всего лишь еще одни периферийные часы, которые необходимо контролировать и время от времени заводить.