Внутрішній годинник людини, живі годинник, collectedpapers
Вчені, з дослідженнями яких ми знайомилися досі, задавалися цілком певним питанням або ставили перед собою конкретне завдання, розробляли методи її вирішення і отримували ту чи іншу відповідь.
Дарвіна, наприклад, цікавило, чому листя «сплять», - і він фіксував їх в розгорнутому, денному, положенні і на підставі їх реакцій прийшов до висновку, що листя складаються на ніч, щоб захиститися від нічного холоду. Харкер хотіла з'ясувати, де у тварини знаходяться його живі годинник. Провівши тонкі хірургічні операції на тарганів, вона виявила їх у чотирьох клітинах подглоточного ганглія. Хамнер вирішив дізнатися, чи залежить існування циркадних ритмів від сил, пов'язаних з обертанням Землі. Він привіз рослини і тварин на Південний полюс і обертав їх там в напрямку, протилежному обертанню Землі. На підставі цього експерименту він прийшов до висновку, що ритми у рослин і тварин існують незалежно від сил, що виникають в результаті обертання Землі.
У всіх цих випадках можна було сформулювати конкретне питання, розробити метод експериментального дослідження і отримати ту чи іншу відповідь. Але як сформулювати питання, приступаючи до дослідження внутрішнього годинника людини?
«Добові криві» людини залежать від стількох факторів, що їх надзвичайно важко інтерпретувати. Людина в цьому сенсі дуже незручний для експерименту організм. Тому більш повне уявлення про процеси, що визначають існування циркадних ритмів у людини, може бути отримано насамперед на підставі вивчення менш високоорганізованих тварин.
Сучасний погляд на цю складну проблему був виражений Юргеном Ашоффом, одним з найбільших вчених в галузі вивчення біологічних ритмів.
«Навіть неспеціалісту добре відомо, - писав Ашофф, - що температура тіла людини мінімальна рано вранці і досягає свого максимального значення до вечора. Це явище було описано ще в 1842 році. З тих пір численні клінічні та фізіологічні дослідження показали, що в організмі людини немає жодного органу і жодної функції, що не вияв-мешкали б добової ритмічності. Вимірюємо ми число клітин, які діляться в тій чи іншій тканини, обсяг виділеної сечі, реакцію на ліки або точність і швидкість рішення арифметичних задач - ми зазвичай виявляємо, що максимальне значення відповідає одному часу доби, а мінімальне - іншому. »
Так чому ж людина погана об'єкт для експериментальних досліджень?
Чи не починаючи філософської дискусії про відмінності між людиною і низькоорганізованими тваринами, ми лише відзначимо, що в експериментальних умовах поведінка людини в часі значно менш послідовно, ніж, скажімо, поведінка білки-летяги. І людину можна (природно, за його згоди) помістити в ретельно контрольовані умови, спеціально створені для вимірювання свободнотекущий ритму його активності. Але оскільки ритми людини схильні до впливу багатьох чинників, переважна більшість експериментів з вивчення беруть участь в биоритмики внутрішніх процесів проводилось на нижчих тварин.
Питання, як працюють внутрішні годинник людини, залишається для дослідників біологічних ритмів найскладнішою проблемою. Для отримання результатів, порівнянних з результатами останніх експериментів на тварин, необхідно і в дослідах на людину забезпечити підтримку точно контрольованих умов освітлення, температури, вологості і т. Д. Потрібно виключити всі зовнішні орієнтири, які можуть вказати на даний час (особливо це стосується будь-якого роду шумів). А так як найголовнішим тимчасовим орієнтиром є світло, надзвичайно важливо забезпечити точно контрольований рівень освітленості.
Функції з добовою циклічністю
Щоб стежити за досліджуваними ритмами, необхідно мати у своєму розпорядженні апаратурою для реєстрації циклу «сон - неспання», змін температури тіла і т. Д. А також клінічними можливостями визначення фізіологічних функцій. І при цьому потрібно вивчати ізольованого індивідуума, щоб реакції однієї людини не позначилися на поведінці іншого.
Допитливі люди давно намагалися вивчити цикл «сон - неспання» у людини. Натаниел Клейтман, фахівець з фізіології сну, і Брюс Річардсон із Чиказького університету в 1938 році закрилися в одному з відсіків Мамонтової печери в Кентуккі. Метою експерименту було з'ясувати, чи зможе кожен з них пристосувати свій внутрішній годинник до ритму, що відрізняється від добового. Вони провели в печері тридцять два дні, намагаючись звикнути до 28-годинному циклу, що складається з 19 годин активного стану і 9 годин сну. Річардсон, якого було двадцять три роки, вже до кінця першого тижня успішно перевів свій годинник на новий розклад, а Клейтман, старше свого товариша років на двадцять, так і не зміг пристосуватися.
Для того часу це було досить цікавим дослідженням, але в порівнянні з сучасним обладнанням Мамонтова печера схожа на «темний будиночок» Гарнера і Аллард в порівнянні з фітотронах в Канберрі (див. Рис. 22-23).
Устаткування для вивчення ритмів у людини важко у виготовленні і дорого в експлуатації. Тому не дивно, що існує воно поки в єдиному екземплярі. Це «Тир-Бункер», розміщений в Інституті фізіології поведінки імені Макса Планка.
Безпосередній інтерес Ашоффа до вивчення ритмів людини стимулювали дослідження, проведені ним на зяблик. Але задовго до цього він займався вивченням ритмів рухової активності мишей в умовах постійного освітлення і постійної темряви. Численні експерименти привели його до створення гіпотези, відомої під назвою «правило Ашоффа». Відповідно до цієї гіпотези, зі збільшенням інтенсивності постійного освітлення тривалість періоду активності денних тварин скорочується, а нічних - збільшується. Це правило неодноразово підтверджували багато дослідників на самих різних тварин. Підтвердив його в експериментах з зяблик і сам Ашофф. «Стрілками годин» йому служила рухова активність зябликів - перепархіваніе з однієї жердини на іншу (воно автоматично реєструвалося цифродрукуючий лічильниками). Ось результати типового експерименту Ашоффа:
1. Звикання до умов чергування 12 годин світла і 12 годин темряви. Час активності збігалося з періодом освітлення: включення світла - птиці починали перескакувати з одного жердочки на іншу, вимикання - птиці заспокоювалися.
2. 27 днів вільного перебігу ритму при безперервному слабкому освітленні (освітленість 0,4 люкси). Перші два дні птиці починали свою активність в той же час, що і раніше. Але потім це початок зміщувалося на більш пізній час, так що при свободнотекущий ритмі їх годинник відставали приблизно на годину.
3. Повторення умов чергувань 12 годин світла і 12 годин темряви протягом 15 днів. Відставання в часі припинилося, і відновився 24-годинний цикл.
4. Вільне протягом ритму при безперервному яскравому освітленні (освітленість 120 люксів). Період активності птахів починався з кожним днем трохи раніше, їх годинник тепер поспішали майже на дві години на день.
Така послідовність в поведінці птахів підтверджує правило Ашоффа, а саме що денні тварини мають свободнотекущий ритм з великим періодом при слабкому освітленні і меншим - при яскравому.
Але що набагато важливіше, ці експерименти чітко і переконливо довели, що у зяблика є внутрішній годинник, «стрілки» яких можуть бути переведені в результаті зміни режиму освітлення. Їх можна було за бажанням змусити йти точно, прискорювати або сповільнювати.
Маючи в своєму розпорядженні цими результатами, Ашофф вирішив з'ясувати, як будуть вести себе в контрольованих лабораторних умовах внутрішній годинник людини і чи дійсно вони ендогенних за своєю природою.
Він відмінно знав, що у людини добре розвинене почуття часу. Так, людині нічого не варто прокинутися в певний час, якщо з вечора він твердо вирішив зробити це. Відомо також, що у людей, що працюють позмінно, спостерігається підйом і падіння продуктивності праці; мінімум його доводиться на 3 годині ночі: в цей час найбільше число помилок і нещасних випадків.
Що стоїть за всім цим?
Програму наукових досліджень ритмів людини Ашофф розрахував на тривалий термін. Першим приміщенням для ізолювання досліджуваних служила звуконепроникна операційна, що залишилася з часів Другої світової війни. Тут були отримані попередні результати, які надихнули дослідника на створення більш надійного приміщення - Тир-Бункери.
Випробовувані живуть в цьому бункері три-чотири тижні в повній ізоляції. Поруч зі зручною кімнатою, що поєднує вітальню і спальню, знаходяться душова і маленька кухня, де випробовуваний готує собі їжу. «Ми просимо його, - пояснює Ашофф, - вести« розмірене »життя: їсти тричі на день, у звичайній для нього послідовності, не валятися по обіді і проводити кілька психологічних випробувань. Весь інший час він може робити, що хоче. Найчастіше випробуваними бувають студенти. Їх улюблене заняття-прослуховування музичних записів ».
Експериментатори відкривають двері в абсолютно невизначений час, так що з їх дій не можна зробити ніяких висновків щодо часу доби. Випробуваний сам гасить світло, коли лягає спати, і запалює його, коли прокидається і встає. Але інтенсивність освітлення встановлюється ззовні. Піддослідним дозволено лише регулювати температуру в бункері, оскільки Ашофф виявив, що невеликі зміни цього параметра не роблять помітного впливу на результати.
У таких ретельно контрольованих умовах все випробовувані виявляють чітко виражені циркадні ритми. Це ритми «сон - неспання», зміни температури тіла, виділення сечі (за обсягом і змістом кальцію і калію). Ритми всіх цих функцій не цілком збігалися по фазі, але в середньому тривалість періоду при вільному перебігу ритму становила 25 годин, тобто свободнотекущий годинник людини відставали на годину на добу.
Ю. Ашофф і К. Піттендрай
Першим випробуваним був сам Ашофф. Після виходу з бункера він зробив такий запис:
Хвилювання перших двох днів в бункері з приводу «істинного» часу змінилися втратою будь-якого інтересу до цього питання і почуттям повного комфорту життя без часу. Результати експериментів з тваринами підготували мене до того, що мій власний цикл повинен бути коротше 24 годин. Тому я дуже здивувався, коли дізнався, що в останній, десятий, день прокинувся о 3 годині дня.
За «вранці» мені було дуже важко вирішити, чи достатньо довго я спав. На восьмий день я встав, проспав всього три години. Відразу ж після сніданку я записав у своєму щоденнику: «Щось не так. Відчуваю себе як на вахті ». І знову ліг; почав я свій день заново тільки після того, як проспав ще години три. Судячи по кривій температури тіла, мій перший підйом якраз збігався з найгіршою для неспання фазою циркадного циклу, тобто з точкою найменшою температури тіла. Вольове зусилля ввело мене в оману, а мої фізіологічні годинник все поставили на місце.
Другим мешканцем бункера була Патриція де Кур-сі, яка на той час закінчила свої експерименти з Летяга. Її спогади допомагають нам краще зрозуміти характер Ашоффа: «Я брала участь в якості другого піддослідного кролика в стали тепер настільки відомими експериментах Ашоффа з вивчення ритмів у людини. Думаю, що людині його темпераменту важко ізолювати себе від суспільства навіть на кілька днів, тому йому дуже хотілося знайти спокійного, схильного до усамітнення індивідуума. Я із задоволенням пішла в цей «тритижневий спокійний відпустку» з програвачем для пластинок, робочими записами і планом черговий статті ».
Пізніше Ашофф розповів, яку неприємну ситуацію довелося пережити де Курси. Приблизно в середині експерименту зламався термостат, і в бункері стало дуже жарко. Що знаходилися зовні нічого не помітили. Патриція, що не розуміла в чому справа, всерйоз занепокоїлася. Однак впоралася зі своїм хвилюванням і довела експеримент до кінця.
До 1965 року Ашофф завершив експерименти на 26 індивідуумах. Отримані результати він розглядав як попередні, тому ми лише коротко охарактеризуємо їх тут:
1. Ритми 22 осіб з 26 виявили свободнотекущий періоди, що перевищують за тривалістю 24 години.
2. Тривалість цих періодів збільшувалася при слабкому освітленні і скорочувалася при яскравому. Таким чином, людина, будучи денним тваринам, змінює тривалість свободнотекущий періоду відповідно до правила Ашоффа.
3. Один чоловік зміг навмисно змінити тривалість свого активного періоду. При дуже високому рівні освітленості (1500 люксів) свободнотекущий ритм його активності в перші десять днів дорівнював 19 годинам. Потім, намагаючись подовжити період своєї активності, він довів його до 25,6 години. Оскільки одна людина свідомо керував тривалістю свого періоду активності, на результатах інших випробуваних міг позначитися і несвідомий контроль.
4. У одного з випробовуваних спостерігалася виражена десинхронізація функцій. Його цикл «сон - неспання» був напрочуд довгим - 32,6 години, тоді як ритми коливань тим-ператури тіла і виділення сечі становили всього 24,7 години. Проте спостерігалися моменти, коли ці ритмічні функції повністю збігалися по фазі. Саме в той час він відчував себе особливо добре, про що свідчили його записи в щоденнику.
Ці спостереження привели Ашоффа до висновку, що така десинхронізація і становить головну проблему для пасажирів швидкісних лайнерів, що прибувають в віддалений часовий пояс.
З кожним роком накопичувалося все більше подібних повідомлень і ставало ясно, що нездужання, відчуваються пасажирами трансатлантичних лайнерів, викликає щось інше, ніж просто швидкість польоту.
Пілоти, що літають на реактивних літаках, відзначали, що перельоти з заходу на схід більш пригнічують, ніж перельоти зі сходу на захід. А перельоти з півночі на південь і назад з тими ж швидкостями і на ті ж відстані не роблять ніякого особливого дії. Відбувається це з тієї причини, що перельоти через багато меридіани вибивають живі годинник людини з фази з його оточенням, тоді як перельоти уздовж меридіанів, тобто перельоти, які дотримуються одних часових поясів, не позначаються на роботі внутрішнього годинника.
Досить імовірно, що розбіжність внутрішнього годинника з місцевим часом викликає свого роду стресову реакцію організму, але більш точна причина такого стресу і шляхи звільнення від нього залишаються поки неясними.
Чи можна витягти з чисто наукових досліджень якесь раціональне зерно для вирішення цієї практичної задачі?
Ашофф відповідає на це питання позитивно. Не виключено, що знову синхронізувати внутрішній годинник пасажирів можна, використовуючи, наприклад, штучні покажчики часу. Для цього пасажирів відразу ж після польоту слід піддати впливу укорочених періодів світла і темряви. Однак всі ці міркування знаходяться поки в стадії теоретичного осмислення і попередніх експериментів на тварин ... Ми занадто мало ще знаємо, що саме відбувається з людьми, щоб піддавати їх цим випробуванням.