Время имеет значение. Как циркадные ритмы управляют нашими сном, долголетием и счастьем
Шведский ботаник Карл Линней оставил свой след в истории несколько лет спустя, заметив, что некоторые виды цветов всегда открываются и закрываются в определенное время суток. В середине XVIII века он предложил использовать эти цветочные способности для определения времени «даже в пасмурную погоду».
Линней даже набросал схему, как расположить сорок три вида цветов в виде часов, которые могли бы приблизительно показывать время с 3:00 до 20:00. Например, раскрытие ястребинки волосистой или кольраушии израстающей означало бы 9:00 утра. Закрытие исландского мака обозначало 7:00 вечера. Козлобородник, также известный как «Джек, ложись спать в полдень», распускался в 3:00 утра.
Будильник на 3:00 утра в поле подсолнухов оказался, к сожалению, ненужным. Незадолго до того, как он зазвонил, меня разбудили ужасающие крики животных, в паре сотен метров от меня находилась скотобойня. Взбудораженная, я надела налобный фонарь с красными линзами и снова пробралась в лабиринт подсолнухов – на этот раз с еще большим трепетом. Я ощущала себя словно в фильме ужасов; когда поворачивала голову, красный свет танцевал по листьям, стеблям и головкам распускающихся подсолнухов. Кроваво-красное сияние добавляло жути, как и тот факт, что растения сдвинулись за ночь. Они наклонились в противоположном направлении по сравнению с вчерашним вечером. Их головки теперь были обращены на восток, к слабому пятну Млечного Пути, светившемуся над горизонтом. Листья подсолнухов тоже изменили свое положение. Они вытянули свои верхушки на восток. Задние листья поднялись вверх, создавая тот же эффект. Каждый цветок, на который падал красный луч фонарика, казался готовым к возвращению солнца. Я же, напротив, была совсем не готова встречать новый день. Не став углубляться в лабиринт, я вернулась в палатку.
Что же именно происходило на этом поле? Если растения поворачивались ночью, то они не реагировали непосредственно на солнечные лучи. Другими словами, подсолнухи не могли же следовать за солнцем, верно?
За день до того, как я посетила Уикс и ее подсолнухи, я поговорила со Стейси Хармер, биологом-ботаником из Калифорнийского университета в Дэвисе. Мне нужна была помощь, чтобы понять, насколько синхроничен этот цветок. Что стояло за его ежедневным танцем с востока на запад? Этот вопрос долгое время озадачивал ученых. Хармер показала мне статью, опубликованную в 1898 году, автор которой приложил все усилия, чтобы определить, что заставляет подсолнух двигаться. Его эксперименты, похожие на эксперименты де Мерана и других ботаников до него, были направлены на исключение внешних факторов, таких как солнечный свет, температура и ветер. Он зашел так далеко, что обезглавил подсолнухи, и обнаружил, что стебли по-прежнему наклоняются вперед и назад в течение дня. Похоже, что танец растения был не только в его головке – даже если считать фирменным движением покачивание подсолнечной корзинки.
Ночная переориентация молодых подсолнухов намекала на участие врожденных биологических часов. Но тогда ученые полагали, что все существа, как те, что застряли в земле, так и те, что суетятся на ней или над ней, устанавливают свой график в ответ на сигналы из окружающей среды. Если сигнал не был световым или температурным, они решали, что это, вероятно, какие-то другие колебания в окружающей среде. Более века спустя Хармер и ее команда продолжили исследование загадки подсолнухов. Они посадили молодые подсолнухи в горшки и провели серию экспериментов. В одном из них они позволили растениям наклоняться с востока на запад вместе с солнцем в течение дня, но затем ночью поменяли положение тех же растений, повернув их на 180 градусов сразу после захода солнца. Растения попались на эту уловку и утром оказались обращенными на запад, а не на восток. В других экспериментах положение горшков с подсолнухами на поле оставили прежним, но занесли их в комнату с флуоресцентным освещением и оставили их там на сорок восемь часов. Даже при стационарном источнике света растения продолжали двигаться.
В 2016 году Хармер и ее команда пришли к выводу, что за круглосуточным движением подсолнухов действительно стоит механизм внутренних часов. Как я и наблюдала в лабиринте Уикса, подсолнухи не следовали за солнцем, а опережали его на один шаг – или поворот. Так к растущему списку организмов, поведение которых, как мы теперь знаем, зависит от внутреннего метронома, добавился еще один.
Почему эволюция наделила подсолнух такими способностями? Почему бы просто не запрограммировать реакцию растения на солнечный свет? Результаты исследований указывают на несколько объяснений. Начав заранее, головка цветка нагревается быстрее, чем если бы она поворачивалась в пассивной реакции на появление солнца. Теплый цветок привлекает больше опылителей. Есть и другие преимущества. Прямые лучи солнца освещают ультрафиолетовые отметки на лепестках подсолнуха, которые видны пчелам. Растения, обращенные к восходу солнца, производят более крупные и тяжелые семена и выделяют пыльцу для пчел раньше других. Танцевальный ритуал, управляемый часами, оказалася действительно полезным.
Единственные пчелы, которых я заметила на подсолнечных полях Уикс, прыгали на головках раннецветущих растений. Несколько таких цветов были разбросаны по лабиринту, их стебли возвышались над подростковыми цветами. Подобные желтые пятна виднелись и на другом поле к северу. Это были так называемые самосевные растения, они проросли из семян, упавших с урожая предыдущего года, и выросли раньше, чем специально посаженные цветы лабиринта. Уикс была обеспокоена поведением этих более зрелых растений. Вечером в день моего визита мы с ней прошли к группе золотистых цветов на соседнем поле. Осторожно переступая через высокую траву и несколько молодых деревьев – она также выращивает рождественские елки на этой территории – мы подошли к рассматриваемым подсолнухам. Некоторые из цветов были близки к концу своего жизненного цикла, их лепестки потемнели и поникли. Уикс беспокоило то, что они были обращены спиной к приближающемуся закату. «Они не следуют за солнцем, – сказала она мне. – Я не знаю, что с ними не так».
У Хармер был ответ и на этот вопрос. По мере развития подсолнечника гены циркадного ритма заставляют его стебель расти быстрее за счет покачиваний головкой из стороны в сторону. Затем, когда подсолнечник полностью созревает и зацветает, его стебель укрепляется, чтобы поддерживать тяжелую головку, и юное покачивание замедляется и прекращается. Когда стебель подсолнуха затвердевает, зрелые цветы фиксируют свои головки обращенными на восток, к восходу солнца. В результате взрослые подсолнухи всегда пропускают закат.
Стоило мне начать обращать на это внимание, как ритмы стали обнаруживаться повсюду. Когда я смотрела наверх из своего спального мешка той ночью, единственной птицей над моей палаткой было созвездие орла Аквила. Ночное небо затихло, так как живые птицы спали. Я наслаждалась прохладным воздухом, который проникал в долину и в мою палатку. Чувствовала зуд, связанный с прерывистым жужжанием, ранее ночью – во время вечернего царствования комаров. И, если бы мой слух был немного лучше, я могла бы услышать звук подсолнухов, растягивающихся в высоту и ширину. Многие растения растут быстрее всего поздно ночью, преобразуя энергию и питательные вещества, полученные днем. Генри Дэвид Торо известен своим высказыванием о кукурузных стеблях, тянущихся к небу ночью. Фермеры говорят, что слышат, как это происходит. Слышимый треск, по-видимому, вызван крошечными трещинами в растении, когда оно растягивается, ломается, восстанавливается, а затем снова растет.
Похожая история произошла с учеными, занимавшимися хронобиологией – изучением явлений, связанных со временем, в живых организмах. За время исследований они накопили множество примеров повторяющихся ритмов. Даже Чарльз Дарвин откликнулся на призыв де Мерана, изучив то, что он назвал «спящими растениями». Дарвин был одним из немногих ученых 1800-х годов, которые пришли к выводу, что движение листьев растений, вероятно, обусловлено внутренним, унаследованным механизмом. В начале 1900-х годов ученые начали документировать повторяющиеся закономерности у животных – плодовых мушек, крыс, обезьян и людей.
К середине XX века большинство ученых убедились, что растения и животные обладают самоподдерживающейся внутренней системой измерения времени, которая нуждается в регулярном «заводе», чтобы синхронизироваться с суточными циклами планеты.
Большая часть их аргументации основывалась на том, что часы организма идут немного быстрее или медленнее, чем 24 часа, когда они изолированы от внешних временных ориентиров. Если бы за эти циклы отвечала исключительно внешняя геофизическая сила, они должны были бы составлять ровно 24 часа. Идея о том, что эндогенный ритм должен несколько отклоняться от 24 часов, была сформулирована в 1959 году врачом Францем Халбергом. Именно он ввел термин «циркадный». Внутреннее время варьируется между видами. Сейчас мы знаем, что часы у Mimosa pudica (мимозы стыдливой) и у мышей идут немного быстрее, в результате чего их сутки длятся менее 24 часов, в то время как средние часы человека идут медленнее и растягивают сутки немного дольше 24 часов.
Тем не менее, пробелы в науке породили ряд сомнений. Одним из основных камней преткновения стала температура. Внутренние часы должны быть чувствительны к определенным внешним сигналам, чтобы поддерживать связь с 24-часовыми циклами Земли, но частота, с которой тикают эти часы, должна оставаться защищенной от воздействия окружающей среды. Температура создавала проблему. Большинство биохимических реакций, включая метаболические процессы в организме, ускоряются при повышении температуры и замедляются при ее понижении. Искусственные часы изначально были неточными по аналогичной причине: повышение температуры удлиняло маятники, что замедляло ход часов. Могли ли циркадные часы действительно работать с точностью почти 24 часа в сутки при изменении температуры в течение дня и сезонов? Если часы медоносной пчелы ускорялись в теплый летний день, это означало бы проблемы для подсолнухов Уикс, верно?
Колин Питтендрай, один из основателей циркадной биологии в Стэнфорде и Принстоне, развеял эти опасения. Он выяснил, что период ритма плодовой мухи практически не зависит от температуры. В своем знаменитом эксперименте Питтендрай поместил одну группу плодовых мух в заброшенный сарай, а другую – в скороварку, погруженную в ручей в Скалистых горах. Ни одна из мух не могла видеть суточный световой цикл. Как и ожидалось, обе группы сохранили суточный ритм. Несмотря на большую разницу в температуре между их средами обитания, Питтендрай обнаружил очень небольшую разницу в ритмах между двумя группами. Вскоре компенсация температуры циркадными часами была признана научным сообществом. А под влиянием Питтендрая метафора «часы» также стала широко используемой. Но до сих пор до конца неизвестно, как именно работает компенсация температуры в живых организмах.
К середине 1960-х годов, когда Сифр занимался спелеологией без часов, а Ашофф принимал добровольцев в своем вечном баварском бункере, поступали все новые и новые свидетельства существования любопытного самоподдерживающегося часового механизма. Однако, чтобы доказать его существование, ученым нужно было найти неопровержимые факты: где находится этот механизм или механизмы тикающих часов? Начались активные поиски.
Учитывая известную способность света влиять на циркадный ритм, многие исследователи сосредоточили свое внимание на областях мозга животных, которые отвечают за зрение. Первыми они исследовали мозг тараканов и крыс – ни с теми, ни с другими, к моему счастью, я не сталкивалась во время своих репортажных приключений. Перерезание зрительных долей тараканов отрезало насекомых от светового цикла и привело к тому, что их биологические часы начали отклоняться от 24-часового периода. Крыс, пойманных и выросших в переулках Балтимора, постигла более суровая судьба: после того как исследователи разрушили часть их гипоталамуса, крысы полностью потеряли циркадный ритм.
Ученые приблизились к обнаружению структуры, ответственной за этот процесс у млекопитающих, проследив ее путь от сетчатки до основания мозга. В передней части гипоталамуса, прямо над зрительной хиазмой, находится супрахиазматическое ядро, или СХЯ. Повреждение этой крошечной структуры у крыс и других грызунов приводило к тому, что животные оставались практически нормальными, но их когда-то ритмичное поведение теперь было хаотичным в течение суток. Другие ученые продолжили эти исследования, пересаживая донорское СХЯ животным, у которых не было СХЯ. Реципиент принимал ритм, который ранее был у донора. История повторялась снова и снова. Появились веские доказательства того, что для этих животных СХЯ – главный хронометрист. Это, по-видимому, относилось и к людям.
Сейчас мы знаем, что СХЯ в человеческом мозге состоит из пары скоплений размером с булавочную головку, содержащих примерно 20 000 нейронов. Учитывая, что средний мозг содержит 86 миллиардов нейронов, это относительно небольшая часть. Тем не менее, эти скопления обладают удивительной силой, очаровавшей ученых. Многие исследователи, с которыми я разговаривала, называли СХЯ «суперхаризматическим ядром».
Часы генерируют круглосуточный ритм, который координирует циклы температуры, пищеварения, метаболизма и бесчисленных других колеблющихся функций, включая нашу способность быть харизматичными.
Наука о циркадных ритмах прошла долгий путь – от открытия существования суточных ритмов до определения их внутренней природы и выявления центрального хронометриста. Однако оставалось много загадок: как работают эти часы в мозге? Действуют ли они самостоятельно? Пока нейробиологи занимались поиском местоположения главных циркадных часов, другие ученые собирали воедино детали, обеспечивающие их тиканье.
Первые новаторские исследования этих молекулярных механизмов были описаны в основополагающей статье Рональда Конопки и Сеймура Бензера, опубликованной в 1971 году. Ученые из Калифорнийского технологического института обнаружили три генетические ошибки, каждая из которых отражала аномальный ритм плодовой мушки, и все они были связаны с одним и тем же геном, period. Это стало первым доказательством того, что гены контролируют биологические часы. Фактически это была одна из ключевых подсказок о том, что гены могут влиять на любое поведение. В течение следующих десятилетий исследовательские группы идентифицировали еще несколько вовлеченных генов и выяснили, как они работают вместе, чтобы создавать внутренние ритмы. Эти биологические зубцы, шестеренки и пружины контролировались серией сложных и взаимосвязанных циклов обратной связи. Белки, кодируемые генами per и другими, распадаются и накапливаются, тормозят и взаимодействуют, конкурируют и координируются. Этот процесс «толкай-тяни» повторяется примерно каждые сутки, возможно, в гармонии с другими древними временными процессами, которые еще предстоит разгадать.
Плодовые мушки продолжали играть главную роль в исследованиях, благодаря простоте своего генома и короткой продолжительности жизни, а также удивительному сходству с другими животными. Когда появились знания об основном механизме молекулярных часов, ученые научились распознавать его проявления и идентифицировать соответствующие компоненты у всех, от хомячков до людей. Становилось все более очевидным, что почти все живые организмы выполняют этот микроскопический танец. Это происходит в вашем организме прямо сейчас, хотя и с немного другим набором генов и белков, чем у плодовой мушки.
Клетки внутри нас научились определять время еще до того, как мы стали способны делать это сознательно, даже раньше, чем мы научились смотреть на часы. Аспекты циркадной системы развиваются еще в утробе матери.
Но явные проявления этих ритмов, такие как режим сна и питания, не проявляются сразу после рождения – к большому огорчению молодых родителей, страдающих от недосыпания. Система отсчета времени в нашем организме не ограничивается 24-часовыми циклами. Она отслеживает сезонные и лунные циклы, а также ультрадианные ритмы[9], которые повторяются в течение дня с периодичностью в часы, минуты или даже секунды. Когда я писала эту книгу, ученые из Университета Питтсбурга обнаружили в мозге гены, которые следуют 12-часовому ритму. Также выяснилось, что многие из этих ритмов отсутствуют или изменены в мозге пациентов с шизофренией. Это дает реальную зацепку для выявления факторов риска и лечения этого изнурительного психического расстройства.
Значение исследований молекулярных механизмов жизни получило достойное общественное признание в 2017 году, когда Нобелевская премия была присуждена ученым по циркадным ритмам Майклу Янгу, Джеффри Холлу и Майклу Росбашу. Их совместные открытия, наряду с открытиями других специалистов, помогли раскрыть этот живой механизм и проложили путь для дальнейших прорывов в понимании биологических часов, универсальных для жизни на нашей планете.
Ученые не пришли к единому мнению о том, произошли ли все часы из одного источника или же разные организмы изобретали колесо заново. В любом случае, «селективное давление, побуждающее придумать что-то, что могло бы показывать время суток, уходит корнями в далекое прошлое»,– сказал мне Янг. Часы стали ключевым элементом жизни. Ученые даже выступили за поиск доказательств существования циркадных ритмов как признаков внеземной жизни. «Если жизнь существует на других планетах, было бы разумно ожидать аналогичного эволюционного отбора в отношении периода вращения данной планеты»,– написали авторы статьи 2005 года, в которой они намекнули на «циркадную биосигнатуру»[10] в данных, полученных в 1976 году с помощью марсианского посадочного модуля «Викинг». Кэрри Парч, исследователь циркадных ритмов из Калифорнийского университета в Санта-Крузе, согласилась с этим: «Безусловно, жизнь в других местах адаптировалась к своему „местному времени“».
На Земле некоторые ученые предполагают, что цианобактерии были первыми, кто разработал инструмент для измерения времени, по крайней мере, миллиард лет назад.
Одноклеточные организмы содержат хлорофилл, этот фотосинтетический пигмент многоклеточные растения используют для получения энергии от солнца. Цианобактериям, чтобы выжить, необходимо воздействие солнечного света, но они погибнут, если перегреются на солнце. Возможно, первые цианобактерии эволюционировали, чтобы погружаться в водную толщу, избегая прямых солнечных лучей, и подниматься ближе к поверхности на восходе и закате. Они научились выбирать лучшее время для переработки накопленной энергии в соединения, защищающие их от смертельного ультрафиолетового излучения.
Цианобактерии широко известны и нелюбимы из-за образования токсичных водорослевых цветений, но они постоянно используются в лабораториях, занимающихся исследованием циркадных ритмов. Причина в том, что простота часов этого древнего организма позволяет ученым изучать фундаментальные механизмы циркадных ритмов, которые, вероятно, присутствуют во всех царствах живой природы. В 2005 году японские исследователи поместили три белка цианобактерий в пробирку и увидели, что они могут объединяться для отслеживания времени. Другая группа ученых в 2021 году усложнила эти часы в пробирке. Первая версия могла определять время, но не имела возможности передать информацию о времени суток цианобактериям. Добавив еще три белка и фрагмент ДНК, исследователи усовершенствовали ее до полноценной часовой системы со «стрелками» для считывания времени.
Восстановленный осциллятор[11] продемонстрировал три характерные свойства циркадных ритмов. Он тикал в отсутствие внешних сигналов, перенастраивался с помощью информации из окружающей среды и компенсировал внешнюю температуру для поддержания стабильного ритма. «Новые часы позволили исследователям изучать ритмы в режиме реального времени, выяснять, например, как часы регулируют экспрессию генов и влияют на последующие проявления физиологических функций», – рассказала Парч, член этой научной группы по цианобактериям.
Как и в исследованиях плодовых мух и грызунов, открытия, сделанные в цианобактериях, могут оказаться важными и для понимания человека, подсолнухов и всех живых существ с часами. А это длинный список. «У всего есть часы, даже у плесени на хлебе», – сказала Парч. Особенно она ценит все, что растет из земли: «Я одержима растениями, потому что они не могут встать и двигаться, – сказала она мне. – Я думаю, что мы знаем еще очень мало о часах, хотя начали изучать их в 1700-х годах». Я узнала, что ученым только в 2016 году удалось разгадать одну из самых интересных загадок растений.
В 6:00 утра, на рассвете, после еще одного короткого сна рядом с полем подсолнухов, я проснулась под пение птиц. Выбралась из палатки, пробираясь сквозь целый поток конденсата. Солнце только что взошло, сквозь туман я увидела, что бутоны и листья подсолнухов почти не изменились с момента моего последнего осмотра. Они нашли свои идеальные места несколько часов назад и по-прежнему были обращены ко мне и к солнцу, наслаждаясь его теплым, проникающим сквозь туман светом. Совсем скоро в одно утро, когда желтые лепестки распустятся, их нагретые головки будут ждать своих верных опылителей.
Молодые побеги все еще склонялись на восток, когда позже тем же утром я попыталась пройти лабиринт. Этот природный компас может быть полезен, но сейчас не столь важен, потому что я все еще могла видеть направление над верхушками цветов. После нескольких попыток вернуться по своим следам я выбралась из лабиринта перед фасадом, украшенным надписью «Универсальный магазин MA-N-PA’S». Затем я пробралась через высокую траву и собрала свои вещи. В тот момент мне отчаянно был нужен кофе. Отслеживание беспокойного сна подсолнухов означало, что мне почти не удалось поспать, несмотря на все усилия моих биологических часов. Урчащий желудок намекал, что по крайней мере одна часть моих внутренних часов считала, что пора завтракать.
Многие научные открытия произошли случайным образом, и открытие того, что живые организмы имеют более одного циркадного ритма и эти ритмы присутствуют практически во всех органах и тканях тела, не стало исключением.
Это случилось в лаборатории Уэли Шиблера в Женевском университете в Швейцарии.
Шиблер провел много бессонных ночей после того, как один из его докторантов не смог повторить замечательное открытие бывшего постдокторанта в 1990 году о новом белке в печени крыс. В образцах, взятых студентом у животных, не было обнаружено никаких следов этого белка. Шиблер опасался, что его лаборатории, возможно, придется отозвать статью, получившую широкую огласку. Однако он не верил, что его постдок мог сфабриковать результаты, поэтому решил сам взять образец печени крысы. Белок чудесным образом появился. Его беспокойство сменилось недоумением и любопытством. Наконец, ситуация прояснилась: «Мы поняли, что на самом деле разница заключалась во времени, когда люди работали», – рассказал мне Шиблер. Бывший постдокторант, который сделал это открытие, был совой. Он приходил в лабораторию поздно и готовил образцы только после 14:00. А вот аспирант, напротив, вырос в семье фермера и привык просыпаться рано, чтобы ухаживать за коровами. Он брал образцы у крыс утром. Шиблер же взял пробы после обеда, ближе к обычному времени работы постдокторанта. Его лаборатория продолжила исследование, взяв несколько проб печени с интервалом в четыре часа, и обнаружила, что уровень белка варьировался более чем в 300 раз в течение суток. Теперь у них было еще одно, более значительное, открытие, которым они могли поделиться с научным миром.
Ученые, в том числе Майкл Менакер, один из первых лидеров в области циркадной науки, продемонстрировали циркадные ритмы, каждый из которых способен колебаться самостоятельно, в неповрежденных тканях и органах. Сегодня мы знаем, что почти каждая из примерно десяти триллионов клеток с ядром содержит часы. Клеточные часы в каждом из наших органов работают вместе, чтобы поддерживать ритмичную экспрессию нижестоящих генов и белков, которые выполняют фактическую работу по поддержанию нашей физиологии. Гены часов в ваших клетках включаются и выключаются в регулярном ритме в течение дня, они контролируют активность более десяти тысяч генов, не связанных с часами, – примерно половину генов в вашем организме.
Вы ритмичны от волосяных фолликулов на голове до кожи на пальцах ног. (У мужчин волосы на лице растут быстрее всего в течение дня, образуя пресловутую пятичасовую тень. Если мужчина побреется ночью, то в 5:00 утра тени нет.)
Даже ваш нос подчиняется циркадному ритму. Все эти часы связаны между собой и тикают в особых взаимоотношениях друг с другом и с главными часами в мозге.
Каждая из примерно двадцати тысяч нейронных клеток в СХЯ также генерирует ритм. Эта сеть нейронов значит гораздо больше, чем просто сумма ее частей. Один исследователь показал мне видео с замедленной съемкой среза СХЯ, взятого из мозга грызуна. Люцифераза, фермент, который заставляет светиться светлячков, была слита с одним из генов часов. Это заставляло нейроны светиться каждый раз, когда этот ген включался. Я наблюдала, как клетки почти идеально синхронно появлялись и исчезали, ярко светясь, а затем тускнея в течение двадцати четырех часов. Амплитуда ритма была сильной. В другом видео отдельные нейроны СХЯ были удалены из мозга грызуна и помещены в чашку Петри. Эти клетки не имели связей друг с другом. Замедленное видео выглядело как небо, полное мерцающих звезд. Когда я выбрала одну «звезду» и сосредоточилась на ней, то заметила, что она продолжала светиться ритмично, то загораясь, то угасая. Но если рассматривать «небо» в целом, то вся ритмичность исчезала. Амплитуда становилась ровной.