Знание-сила, 2007 № 08 (962)

Координирует все ритмы организма головной мозг. У рептилий и птиц за синхронизацию суточных ритмов отвечает пинеальный орган, его еще называют эпифиз, эволюционно древний вырост промежуточного мозга. Когда-то он был полноценным глазом; возможно, у первых амфибий и кистеперых рыб, проводивших все время, зарывшись в ил, он выполнял важную функцию — предупреждал об опасности сверху. Постепенно этот «третий глаз» деградировал, его остатки можно видеть у древней ящерицы гаттерии, однако он сохранил способность воспринимать свет. В отсутствии освещения эпифиз выделяет гормон сна — мелатонин. У млекопитающих эпифиз уступил основную регулирующую функцию другому отделу мозга — супрахиазменному ядру.

В 1972 году двум группам американских ученых удалось показать, что оно управляет синхронизацией биологических ритмов в организме грызунов. Супрахиазменное ядро расположено над перекрестом зрительных нервов, под гипофизом. Хирургически разрушив мышам этот участок мозга, Роберт Мур и Виктор Эйхлер обнаружили, что у оперированных животных исчезла суточная цикличность содержания в крови гормонов стресса — адреналина и глюкокортикоидов. Другая научная группа под руководством Фредерика Стефана и Ирвина Цукера изучала двигательную активность грызунов с удаленным супрахиазматическим ядром. Мышки и хомячки переставали соблюдать ночной ритм активности, и бегали в колесе в любое время суток. Они спали и бодрствовали хаотически, как завещала птица Додо, «строго как попало».

Именно супрахиазменное ядро у млекопитающих и исполняет роль «Спасской башни», синхронизирует все биологические часы в организме — с помощью гормонов, температуры тела, и, возможно, не известных нам еще механизмов.

Важность этой структуры трудно переоценить. Суточный ритм поддерживают даже такие животные, которым, казалось бы, он не нужен. Группа израильских ученых исследовала слепышей — животных, утративших глаза в процессе приспособления к подземному образу жизни. Оказалось, что все генетические компоненты циркадного ритма есть и у них. Все гены, отвечающие за циркадный ритм у млекопитающих, у слепышей «рабочие», производят соответствующие белки. Это означает, что естественный отбор не дает системе «испортиться», а значит, счетчик времени слепышам необходим. Несмотря на полное отсутствие зрения, сетчатка слепышей сохранила способность воспринимать свет как регулятор активности — слепыш, попавший на поверхность, должен максимально быстро зарыться обратно. Имеются у слепышей и сезонные ритмы активности, видимо, их также поддерживает сохранная система суточного ритма. По всей видимости, биологический календарь устроен так же, как и настенный — должно смениться много одинаковых дней, прежде чем наступит новый месяц.

Небольшие изменения в генах, отвечающих за суточный ритм, ведут к большим последствиям. Мыши, мутантные по одному из отвечающих за циркадный ритм генов, страдают нарушениями сна — они спят часто, но помалу, все время просыпаясь. Похожая картина наблюдается и при старении — у крыс электрическая активность супрахиазменного ядра становится с возрастом все менее регулярной, и пожилые крысы, как и пожилые люди, в течение дня часто задремывают, а ночью страдают бессонницей. Отсутствие другого гена у мышей приводит к тому, что их клетки легко подвергаются раковому перерождению. Вместо того чтобы погибнуть, не пройдя «контроль качества» при делении, клетки с нарушениями ДНК у таких мышей продолжают делиться и дают начало раковым опухолям. Возможно, рак и суточные ритмы вообще тесно связаны — в опытах на мышах показано, что эффективность противораковых лекарств повышается, если принимать их в определенные часы.

Гены биологических часов встречаются во многих тканях дрозофилы, и влияют на самые разные процессы. Например, в 2004 году показано, что самцы дрозофилы, у которых поврежден ген per или tim, посвящают копуляции на 30-50% времени больше, чем нормальные. На поведение самок мутации этих генов не влияют. А у дынной моли вообще clock-гены принимают участие в регуляции времени развития. Моли с длинными, 31-часовыми сутками развивались медленнее, а моли с короткими, 22часовыми сутками — быстрее. Если учесть еще, что моли спариваются всего раз в сутки, на закате, естественный отбор на более длинный или короткий цикл развития может привести и к суточному сдвигу размножения, а там уже рукой подать до репродуктивной изоляции и видообразования.

Вообще, биологические ритмы и поведение тесно связаны. Такие заболевания, как шизофрения и маниакально-депрессивный психоз имеют сезонные пики — весной и осенью. По всей видимости, нервная система таких больных не может справиться с изменением условий освещения. С нарушением суточных ритмов связан и негативный эффект быстрой смены часовых поясов — прилетев из Нью- Йорка в Москву, вы некоторое время будете вынуждены бодрствовать, хотя на ваших «биологических часах» — ночь. Вы ходите и разговариваете, свет, попавший на супрахиазменное ядро, убеждает ваш организм в том, что сейчас день, а температура вашего тела соответствует 2 часам ночи. Под действием солнечного света за несколько дней нормальный ход внутренних часов восстанавливается, хотя и этот механизм с возрастом портится.

У человека существует большая популяционная изменчивость по устойчивости систем суточного ритма. Большинство людей спокойно переносят смену времен года, но некоторые люди в условиях малой освещенности осенью и зимой страдают сезонной депрессией. Мало кто обращается к врачу при первых признаках этой болезни — постоянной вялости, несмотря на длительный сон, плохом настроении, сниженном аппетите. Однако у каждого десятого легкое падение настроения перерастает в полноценную депрессию, которая может потребовать даже медикаментозного лечения.

Тот факт, что, несмотря на свою осеннюю депрессию, эти люди до сих пор встречаются, говорит о многом. Если в популяции устойчиво существует несколько разных вариантов одного и того же гена или фенотипа — значит, хотя бы некоторые из них полезны, и «жаворонки» ничуть не более ценные особи, чем «совы». Более того, биологическое разнообразие по генам суточного ритма в популяции может иметь большой приспособительный смысл. Компьютерное моделирование, проведенное американскими учеными, показало, что если все особи в одно и то же время испытывают одни и те же потребности, это может приводить к усилению конкуренции за ресурсы. И наоборот, естественное расхождение по времени позволяет более эффективно использовать среду обитания — всякий, кто пытался попасть в туалет с утра в многонаселенной квартире, с этим согласится.