Ритм вселенной. Как из хаоса возникает порядок - Стивен Строгац

И эта «сумасшедшая» догадка оказывается правильной. Вот уже на протяжении 30 лет мы знаем, что клетки печени и надпочечника могут проявлять свои собственные циркадные ритмы, даже если их изъять из организма и поддерживать их жизнедеятельность в специальном сосуде. То же можно сказать о клетках сердца и клетках почек. Гены, отвечающие за работу внутренних часов организма, встречаются повсеместно в тканях организмов мушек-дрозофил и маленьких млекопитающих, таких как мыши и хомяки; предположительно и мы, люди, также представляем собой конгрегации циркадных осцилляторов.

Тем не менее всегда было достаточно оснований полагать, что по крайней мере у млекопитающих все эти периферийные часы управляются из единого центра, который, вероятно, расположен где-то в той части мозга, которая называется гипоталамусом[78]. Еще в начале XX века врачи заметили, что пациенты с опухолями в этой области мозга страдают непостоянством циклов сна и бодрствования. Еще более убедительным свидетельством стала работа Курта Рихтера, биолога из университета Джонса Хопкинса, который потратил почти 60 лет на поиск циркадного задатчика ритма. В серии тяжелых и малоприятных экспериментов[79] Рихтер ослеплял крыс, а затем систематически удалял их надпочечники, гипофизы, щитовидные железы или половые железы; вызывал у них конвульсии, электрошок, алкогольный ступор и продолжительную анестезию. Зашив раны и вернув крыс в их клетки, Рихтер обнаружил, что ни одна из его ужасных операций не повлияла на ритмы активности крыс: их внутренние часы продолжали идти как ни в чем не бывало. Затем он делал вырезы в разных местах их мозга, проверяя, не нарушило ли причиненное им повреждение мозга циркадные ритмы крыс. Нет, ни одно из этих повреждений не внесло каких-либо изменений в поведение крыс: они по-прежнему являлись в привычное для себя время, чтобы получить пищу и питье, и вообще действовали в привычном для себя ритме. Исключением из этого правила был лишь один случай: когда повреждению подвергалась передняя часть гипоталамуса. В этом случае крысы становились аритмичными.

В 1970-е годы другие исследователи указали местоположение внутренних часов еще точнее. Исходя из того, что циклы света и темноты могут вовлекать циркадные ритмы, они впрыскивали в глаза крыс аминокислоты с радиоактивными метками в надежде проследить нейронные пути от сетчатки глаза обратно к предполагаемым внутренним часам. Наряду с ожидаемыми путями к зрительным центрам мозга, они обнаружили также моносинаптический путь – нейронную линию экстренной связи – к сверх-хиазмальным ядрам, которые представляют собой пару крошечных пучков нейронов, расположенную в передней части гипоталамуса. По-видимому, эти часы играли столь важную роль в выживании животного, что в процессе эволюции сформировалась специальная прямая линия связи этих часов с глазами (вместо того чтобы использовать для этой цели уже готовые, составные – и более медленные – синаптические линии связи). Чтобы решить для себя этот вопрос раз и навсегда, исследователи разрушили хирургическим путем эти сверх-хиазмальные ядра и обнаружили, что в результате этой операции исчезли и циркадные ритмы крысы. Итак, ученым наконец удалось найти точное местоположение главных внутренних часов.

Мы по-прежнему имеем лишь весьма приблизительное представление о том, как именно работает этот задатчик ритма[80]. Нам известно, что многие из тысяч нейронов в этих сверх-хиазмальных ядрах являются осцилляторами. Они самопроизвольно генерируют колебания в результате изменения концентраций молекул, называемых протеинами-задатчиками времени. Сами эти молекулярные циркадные ритмы вырабатываются взаимосвязанной совокупностью биохимических петель обратной связи, в которой задействуется перезапись и преобразование ДНК примерно восьми генов внутреннего времени (точное их количество указать невозможно, поскольку соответствующие исследования еще не завершены). Затем тысячам этих осциллирующих «клеток внутреннего времени» удается каким-то образом синхронизировать свою электрическую активность (возможно, это обусловливается химической диффузией[81] нейропередатчика, называемого GABA). Наконец, этот коллективный электрический ритм такого задатчика ритма передается – опять-таки, неизвестным (пока) нам способом – на периферические осцилляторы в печени, почках и прочих органах человеческого тела, заставляя их функционировать с тем же периодом, что и «главные часы».

Таким образом, объяснение, предложенное Чейзлером, заключается в том, что все измеренные им ритмы координируются единым циркадным задатчиком ритма. Надежным показателем этого является температурный цикл тела; именно этим объясняется выравнивание всех остальных ритмов, если рассматривать их в этой естественной системе отсчета. Нам по-прежнему неизвестно, как именно этот задатчик ритма биохимически определяет продолжительность сна или склонность к REM. Надеюсь, что это станет известно в не столь отдаленном будущем.

Пока же нам остается лишь изумляться исполнительскому мастерству этого выдающегося маэстро, таинственным образом дирижирующего десятками ритмов внутри нас. Когда все это, вместе взятое, функционирует безупречно – когда у нас не возникает синдром смены часовых поясов или какая-либо другая разновидность рассинхронизации, – функционирование этого задатчика ритма поражает воображение. Посмотрите, как он управляет нашим организмом в самый напряженный, с биологической точки зрения, момент суток – в момент нашего пробуждения от сна. По команде этого задатчика ритма температура нашего тела уже начала повышаться (примерно за два часа до нашего пробуждения). Надпочечник выбрасывает в организм порцию гидрокортизона, чтобы настроить нас на великие дела, которые ожидают нас днем. Начинает звонить наш внутренний будильник. Включаются в работу ритмы когнитивной функции, памяти, сообразительности. В течение всего оставшегося времени дня система практически всех органов и физиологические функции действуют по определенному, заранее предусмотренному расписанию. Эта молчаливая симфония внутри нас объясняет, почему химиотерапия раковых заболеваний[82] оказывается наиболее эффективной в определенные часы (что является отражением ритмов в синтезе ДНК и других процессов на клеточном уровне) и почему сердечные приступы[83] (и инфаркт) наиболее вероятны около 9 часов утра (в этот момент кровяное давление достигает пика). Роды наиболее вероятны ранним утром, приблизительно с 3 до 4 часов утра; то же самое касается смертей (это, возможно, указывает на то, что человек обычно проживает некоторое количество полных дней[84]).