Георгий Гамов - Мистер Томпкинс внутри самого себя

— И о чем же поведали эксперименты над пингвинами? — с живейшим интересом полюбопытствовал мистер Томпкинс.

— Куда бы зоологи ни забрасывали пингвинов, те прямиком направлялись на север — к океану, правда, если могли наблюдать солнце, ясно, что у пингвинов должны быть очень точные биологические часы, чтобы они могли корректировать свой курс по солнцу. Но из экспериментов нельзя сделать вывод о том, будто пингвины умеют определять свое положение на земном шаре. Но стоит пингвинам оказаться на побережье океана, как они тотчас же определяют свое место, поскольку с абсолютной уверенностью направляются к дому. Как они это делают, мы до сих пор не понимаем.

— Мне кажется, — высказал предположение мистер Томпкинс, — чем больше мозг, тем лучше он определяет время.

— Как ни странно, но это, по-видимому, не так, — возразил зоолог. — Пчелы великолепно определяют время, хотя их мозг весьма невелик. Более того, пчелы были одними из первых живых существ, у которых удалось обнаружить биологические часы. Один швейцарский натуралист много лет назад обнаружил, что к его обеденному столу, накрытому в саду под деревом, пчелы регулярно слетаются, чтобы полакомиться сахаром. Сначала он не придал этому особого внимания, но чуть позднее заметил к своему удивлению, что пчелы прилетали пунктуально в обеденное время, даже если стол не был накрыт. Пчелы выучили распорядок дня! Чувство времени очень важно для пчел, так как они питаются нектаром, и поэтому им важно знать, какие цветы открываются и какие закрываются в то или иное время дня. Теперь, когда мы стали совершать полеты на реактивных самолетах, у зоологов появилась возможность показать, что пчелы определяют время по каким-то своим внутренним биологическим часам, а не по наблюдениям высоты солнца. Несколько пчел приучили получать пищу в определенное время дня в Париже, после чего ничего не подозревавших обитателей улья доставили за одну ночь самолетом в Нью-Йорк. И что же?

По крайней мере в течение какого-то периода пчелы продолжали прилетать на кормление в тот же час, в который они прилетали в Париже.

— Очень похоже на моего сына Уилфреда, — заметил мистер Томпкинс. — Когда ему случается совершить трансатлантический перелет, адаптация к новому времени происходит не сразу.

— Совершенно верно, Многие физиологические и психологические функции человека обнаруживают суточный, т. е. 24-часовой ритм. Самая заметная из таких функций — сон, как обнаружил на своем собственном опыте ваш сын Уилфред. Но есть и другие функции, также обладающие суточным ритмом. К их числу относятся выделение из организма жидкости, калия и натрия почками, циклические изменения кровяного давления, частоты сердцебиения, температуры тела, времени рефлекса и многое другое.

— И всеми этими ритмами управляют единые часы, так сказать единый центр? — недоверчиво спросил мистер Томпкинс.

— Нет. Но обычно часы, управляющие различными ритмами, синхронизованы. Когда же происходит десинхронизация, а такое иногда случается, то становится видно, что биологических часов несколько.

Для изучения десинхронизации людей на реактивном самолете доставляли из Оклахома Сити в Манилу, где разность во времени достигает 10 часов. Было установлено, что время рефлекса возвращается к циклу, «привязанному» к местному времени, за одни сутки, частота сердцебиения и кровяное давление — за четверо суток, а цикл потоотделения с ладони — за восемь суток. По-видимому, у каждой физиологической функции есть свои собственные часы.

— А эти часы идут независимо от внешних воздействий, как мой будильник, или их «заводит» какое-то природное явление, например, восход и закат солнца?

— В какой-то мере часы идут сами по себе, но в конечном счете они «подпитываются» энергией из окружающей среды (не будь притока энергии, часы остановились бы) и синхронизуются с солнцем.

Подтверждением тому служат прелюбопытные эксперименты. Жителей Англии из их родных мест, где происходит привычное чередование дня и ночи, в летнюю пору доставили далеко на север — на остров Шпицберген, где царит нескончаемый летний день и солнце не опускается за горизонт. На протяжении по крайней мере восьми недель британцы сохраняли свои обычные физиологические ритмы. В других (аналогичных) экспериментах подопытные люди долгое время жили в подземных пещерах, где условия постоянны. У этих людей суточные физиологические ритмы сохранялись на протяжении по крайней мере нескольких месяцев, несмотря на отсутствие смены дней и ночей.

Однако у эскимосов и индейцев в северной Канаде исследователи обнаружили промежуточный тип поведения. Часы, определяющие время сна, у них идут в суточном ритме, а вариации выведения из организма калия несколько уменьшаются и в экстремальных случаях исчезают совсем. Мысленно суточный ритм можно представить себе как маятник, который колеблется с вполне определенным периодом, но в конце концов останавливается, если не существует какой-нибудь механизм, который бы слегка подталкивал его через примерно одинаковые промежутки времени.

— И откуда же берется такой механизм? — удивился мистер Томпкинс.

— Обычно таким подталкивающим механизмом служит свет. Это хорошо видно на некоторых растениях. Они раскрывают свои листья днем и закрывают их на ночь. Если эти растения поместить в кромешную тьму, то еще несколько суток они будут продолжать открывать и закрывать листья, а затем эта деятельность прекратится. Если замершие растения осветить одной-единственной вспышкой света и снова погрузить в полную темноту, то на протяжении нескольких суток растения снова начнут открывать и закрывать листья в 24-часовом ритме.

Большинство животных и человек устанавливает свои биологические часы по восходам и заходам солнца. Если ритм восходов и заходов изменяется, как это происходит, когда вы путешествуете на запад или на восток, то часы с запазданием на несколько суток подстраиваются и идут в такт с местным ритмом чередования восходов и заходов.

Этот процесс очень похож на то, что происходит, когда вы переводите стрелки наручных часов: часы продолжают идти в прежнем темпе, но показывают новое время.

— А можно ли не только перевести стрелки часов, но и сделать так, чтобы часы ускорили или замедлили свой ход? — спросил мистер Томпкинс.

— Можно, хотя и в весьма узких пределах, — ответил зоолог. — Биологические часы можно синхронизировать с другой продолжительностью суток. Слово «синхронизация» мы употребили по аналогии с физикой. Первый пример синхронизации наблюдал великий голландский физик христиан Гюйгенс, который среди прочего изобрел так называемый спуск — регулятор хода, который позволил построить маятниковые часы. Гюйгенс прикрепил к легкой доске двое маятниковых часов, которые прежде шли с несколько различными скоростями, а обнаружил, что часы стали идти с одинаковой скоростью. Уравнивание скоростей хода, или синхронизация, произошла потому, что каждая из колебательных систем, в данном случае часов, обменивается с другой колебательной системой через доску небольшим количеством энергии, и передаваемые от одной системы к другой периодические импульсы выравнивают частоты систем, изменяя частоту биологических часов, мы синхронизируем их с иной продолжительностью суток, составляющей, например, 22 часа вместо 24. Если биологические часы настраиваются на 22-часовой цикл, то мы говорим, что они синхронизовались с 22-часовым суточным ритмом.