• Главная
• Контакты
• Нашёл ошибку
• Прислать материал
• Добавить в избранное

Ученые, с исследованиями которых мы знакомились до сих пор, задавались вполне определенным вопросом или ставили перед собой конкретную задачу, разрабатывали методы ее решения и получали тот или иной ответ.

Дарвина, например, интересовало, почему листья «спят», — и он фиксировал их в развернутом, дневном, положении и на основании их реакций пришел к выводу, что листья складываются на ночь, чтобы защититься от ночного холода. Харкер хотела выяснить, где у животного находятся его живые часы. Проведя тонкие хирургические операции на тараканах, она обнаружила их в четырех клетках подглоточного ганглия. Хамнер решил узнать, зависит ли существование циркадных ритмов от сил, связанных с вращением Земли. Он привез растения и животных на Южный полюс и вращал их там в направлении, противоположном вращению Земли. На основании этого эксперимента он пришел к выводу, что ритмы у растений и животных существуют независимо от сил, возникающих в результате вращения Земли.

Во всех этих случаях можно было сформулировать конкретный вопрос, разработать метод экспериментального исследования и получить тот или иной ответ. Но как сформулировать вопрос, приступая к исследованию внутренних часов человека?

«Суточные кривые» человека зависят от столь многих факторов, что их необычайно трудно интерпретировать. Человек в этом смысле очень неудобный для эксперимента организм. Поэтому более полное представление о процессах, определяющих существование циркадных ритмов у человека, может быть получено прежде всего на основании изучения менее высокоорганизованных животных.

Современный взгляд на эту сложную проблему был выражен Юргеном Ашоффом, одним из крупнейших ученых в области изучения биологических ритмов.

«Даже неспециалисту хорошо известно, — писал Ашофф, — что температура тела человека минимальна рано утром и достигает своего максимального значения к вечеру. Это явление было описано еще в 1842 году. С тех пор многочисленные клинические и физиологические исследования показали, что в организме человека нет ни одного органа и ни одной функции, которые не обнаруживали бы суточной ритмичности. Измеряем ли мы число делящихся клеток в той или иной ткани, объем выделяемой мочи, реакцию на лекарство или точность и скорость решения арифметических задач — мы обычно обнаруживаем, что максимальное значение соответствует одному времени суток, а минимальное — другому.»

Так почему же человек плохой объект для экспериментальных исследований?

Не начиная философской дискуссии о различиях между человеком и низкоорганизованными животными, мы лишь отметим, что в экспериментальных условиях поведение человека во времени значительно менее последовательно, чем, скажем, поведение белки-летяги. И человека можно (естественно, при его согласии) поместить в тщательно контролируемые условия, специально созданные для измерения свободнотекущего ритма его активности. Но поскольку ритмы человека подвержены влиянию многих факторов, подавляющее большинство экспериментов по изучению участвующих в биоритмике внутренних процессов проводилось на низших животных.

Вопрос, как работают внутренние часы человека остается для исследователей биологических ритмов самой сложной проблемой. Для получения результатов, сравнимых с результатами последних экспериментов на животных, необходимо и в опытах на человеке обеспечить поддержание точно контролируемых условий освещения, температуры, влажности и т. д. Нужно исключить все внешние ориентиры, которые могут указать на истинное время (особенно это касается всякого рода шумов). А так как самым главным временным ориентиром является свет, чрезвычайно важно обеспечить точно контролируемый уровень освещенности.

Рис. 52. В организме человека, кроме четко выраженного цикла «сон — бодрствование», существует еще около ста функций с суточной цикличностью: скорость деления клеток, различные физиологические функции, реакция человека на действие лекарств, его способность к решению задач.

Чтобы следить за изучаемыми ритмами, необходимо располагать аппаратурой для регистрации цикла «сон — бодрствование», изменений температуры тела и т. д., а также клиническими возможностями определения физиологических функций. И при этом нужно изучать изолированного индивидуума, чтобы реакции одного человека не сказались на поведении другого.

Любознательные люди давно пробовали изучить цикл «сон — бодрствование» у человека. Натаниел Клейтман, специалист по физиологии сна, и Брюс Ричардсон из Чикагского университета в 1938 году закрылись в одном из отсеков Мамонтовой пещеры в Кентукки. Целью эксперимента было выяснить, сможет ли каждый из них приспособить свои внутренние часы к ритму, отличающемуся от суточного. Они провели в пещере тридцать два дня, стараясь привыкнуть к 28-часовому циклу, состоящему из 19 часов активного состояния и 9 часов сна. Ричардсон, которому было двадцать три года, уже к концу первой недели успешно перевел свои часы на новое расписание, а Клейтман, старше своего товарища лет на двадцать, так и не смог приспособиться.

Для того времени это было весьма интересным исследованием, но в сравнении с современным оборудованием Мамонтова пещера похожа на «темный домик» Гарнера и Алларда в сравнении с фитотроном в Канберре (см. рис. 22–23).

Оборудование для изучения ритмов у человека трудно в изготовлении и дорого в эксплуатации. Поэтому неудивительно, что существует оно пока в единственном экземпляре. Это «Тир-Бункер», размещенный в Институте физиологии поведения имени Макса Планка.

Непосредственный интерес Ашоффа к изучению ритмов человека стимулировали исследования, проведенные им на зябликах. Но задолго до этого он занимался изучением ритмов двигательной активности мышей в условиях постоянного освещения и постоянной темноты. Многочисленные эксперименты привели его к созданию гипотезы, известной под названием «правило Ашоффа». Согласно этой гипотезе, с увеличением интенсивности постоянного освещения длительность периода активности дневных животных сокращается, а ночных — увеличивается. Это правило неоднократно подтверждали многие исследователи на самых разных животных. Подтвердил его в экспериментах с зябликами и сам Ашофф. «Стрелками часов» ему служила двигательная активность зябликов — перепархивание с одной жердочки на другую (оно автоматически регистрировалось цифропечатающими счетчиками). Вот результаты типичного эксперимента Ашоффа:

1. Привыкание к условиям чередования 12 часов света и 12 часов темноты. Время активности совпадало с периодом освещения: включение света — птицы начинали перескакивать с одной жердочки на другую, выключение — птицы успокаивались.

2. 27 дней свободного течения ритма при непрерывном слабом освещении (освещенность 0,4 люкса). Первые два дня птицы начинали свою активность в то же время, что и раньше. Но затем это начало смещалось на более позднее время, так что при свободнотекущем ритме их часы отставали примерно на час.

3. Повторение условий чередований 12 часов света и 12 часов темноты в течение 15 дней. Отставание во времени прекратилось, и возобновился 24-часовой цикл.

4. Свободное течение ритма при непрерывном ярком освещении (освещенность 120 люксов). Период активности птиц начинался с каждым днем немного раньше, их часы теперь спешили почти на два часа в день.

Такая последовательность в поведении птиц подтверждает правило Ашоффа, а именно что дневные животные имеют свободнотекущий ритм с большим периодом при слабом освещении и меньшим — при ярком.

Но что гораздо важнее, эти эксперименты четко и убедительно доказали, что у зяблика есть внутренние часы, «стрелки» которых могут быть переведены в результате изменения режима освещения. Их можно было по желанию заставить идти точно, ускорять или замедлять.

Располагая этими результатами, Ашофф решил выяснить, как будут вести себя в контролируемых лабораторных условиях внутренние часы человека и действительно ли они эндогенны по своей природе.

Он отлично знал, что у человека хорошо развито чувство времени. Так, человеку ничего не стоит проснуться в определенное время, если с вечера он твердо решил сделать это. Известно также, что у людей, работающих посменно, наблюдается подъем и падение производительности труда; минимум его приходится на 3 часа ночи: в это время наибольшее число ошибок и несчастных случаев.

Что стоит за всем этим?

Программу научных исследований ритмов человека Ашофф рассчитал на длительный срок. Первым помещением для изолирования испытуемых служила звуконепроницаемая операционная, оставшаяся со времен второй мировой войны. Здесь были получены предварительные результаты, которые воодушевили исследователя на создание более надежного помещения — Тир-Бункера.

Испытуемые живут в этом бункере три-четыре недели в полной изоляции. Рядом с удобной комнатой, совмещающей гостиную и спальню, находятся душевая и маленькая кухня, где испытуемый готовит себе еду. «Мы просим его, — объясняет Ашофф, — вести «размеренную» жизнь: есть три раза в день, в обычной для него последовательности, не валяться после обеда и проводить несколько психологических испытаний. Все остальное время он может делать, что хочет. Чаще всего испытуемыми бывают студенты. Их любимое занятие — прослушивание музыкальных записей».

Измерения активностей и физиологических показателей испытуемых регистрируются за пределами бункера. Эта регистрация включает непрерывную запись температуры тела с помощью ректального зонда, запись характера активности, попытки испытуемого определять длительность промежутка времени в 20 секунд и в один час, его движения во время сна. Для обеспечения полнейшей изоляции вход в бункер снабжен двойными дверьми с магнитным замком, которые могут открываться лишь поочередно. В небольшом тамбуре между дверьми стоит холодильник для краткосрочного хранения мочи. Общение испытуемого с внешним миром осуществляется только с помощью записок, оставляемых им в определенном месте. Там же он получает свежий запас пищи.

Экспериментаторы открывают дверь в совершенно неопределенное время, так что из их действий нельзя сделать никаких выводов относительно времени суток. Испытуемый сам гасит свет, когда ложится спать, и зажигает его, когда просыпается и встает. Но интенсивность освещения устанавливается извне. Испытуемым позволено лишь регулировать температуру в бункере, поскольку Ашофф обнаружил, что небольшие изменения этого параметра не оказывают заметного влияния на результаты.

В таких тщательно контролируемых условиях все испытуемые обнаруживают четко выраженные циркадные ритмы. Это ритмы «сон — бодрствование», изменения температуры тела, выделения мочи (по объему и содержанию кальция и калия). Ритмы всех этих функций не вполне совпадали по фазе, но в среднем длительность периода при свободном течении ритма составляла 25 часов, то есть свободнотекущие часы человека отставали на час в сутки.

Рис. 53. Ю. Ашофф (слева) и К. Питтендрай в период работы над статьей по биологическим ритмам для трехтомного издания «Основ космической биологии и медицины».

Первым испытуемым был сам Ашофф. После выхода из бункера он сделал следующую запись:

Волнения первых двух дней в бункере по поводу «истинного» времени сменились потерей всякого интереса к этому вопросу и чувством полного комфорта жизни без времени. Результаты экспериментов с животными подготовили меня к тому, что мой собственный цикл должен быть короче 24 часов. Поэтому я весьма удивился, когда узнал, что в последний, десятый, день проснулся в 3 часа дня.

По «утрам» мне было очень трудно решить, достаточно ли долго я спал. На восьмой день я встал, проспав всего три часа. Сразу же после завтрака я записал в своем дневнике: «Что-то не так. Чувствую себя как на вахте». И опять лег; начал я свой день заново только после того, как проспал еще часа три. Судя по кривой температуры тела, мой первый подъем как раз совпадал с наихудшей для бодрствования фазой циркадного цикла, то есть с точкой наименьшей температуры тела. Волевое усилие ввело меня в заблуждение, а мои физиологические часы все поставили на место.

Вторым обитателем бункера была Патриция де Курси, которая к тому времени закончила свои эксперименты с летягами. Ее воспоминания помогают нам лучше понять характер Ашоффа: «Я участвовала в качестве второго подопытного кролика в ставших теперь столь известными экспериментах Ашоффа по изучению ритмов у человека. Думаю, что человеку его темперамента трудно изолировать себя от общества даже на несколько дней, поэтому ему очень хотелось найти спокойного, склонного к уединению индивидуума. Я с удовольствием удалилась в этот «трехнедельный спокойный отпуск» с проигрывателем для пластинок, рабочими записями и планом очередной статьи».

Позднее Ашофф рассказал, какую неприятную ситуацию пришлось пережить де Курси. Примерно в середине эксперимента сломался термостат, и в бункере стало очень жарко. Находившиеся снаружи ничего не заметили. Патриция, не понимавшая в чем дело, всерьез забеспокоилась. Однако справилась со своим волнением и довела эксперимент до конца.

К 1965 году Ашофф завершил эксперименты на 26 индивидуумах. Полученные результаты он рассматривал как предварительные, поэтому мы лишь кратко охарактеризуем их здесь:

1. Ритмы 22 человек из 26 обнаружили свободнотекущие периоды, превышающие по длительности 24 часа.

2. Длительность этих периодов увеличивалась при слабом освещении и сокращалась при ярком. Таким образом, человек, являясь дневным животным, изменяет длительность свободнотекущего периода в соответствии с правилом Ашоффа.

3. Один человек смог намеренно изменить длительность своего активного периода. При очень высоком уровне освещенности (1500 люксов) свободнотекущий ритм его активности в первые десять дней был равен 19 часам. Затем, стараясь удлинить период своей активности, он довел его до 25,6 часа. Поскольку один человек сознательно управлял продолжительностью своего периода активности, на результатах других испытуемых мог сказаться и бессознательный контроль.

4. У одного из испытуемых наблюдалась выраженная десинхронизация функций. Его цикл «сон — бодрствование» был удивительно длинным — 32,6 часа, тогда как ритмы колебаний температуры тела и выделения мочи составляли всего 24,7 часа. Тем не менее наблюдались моменты, когда эти ритмические функции полностью совпадали по фазе. Именно в то время он чувствовал себя особенно хорошо, о чем свидетельствовали его записи в дневнике. Эти наблюдения привели Ашоффа к заключению, что такая десинхронизация и составляет главную проблему для пассажиров скоростных лайнеров, прибывающих в отдаленный часовой пояс.

В одном из ноябрьских номеров журнала Fortune за 1963 год так описываются ощущения пассажиров, прилетавших из Токио в Копенгаген: «Дверь самолета, отправляющегося по маршруту Токио — Анкоридж — Копенгаген, захлопнулась, пассажиры пристегнули ремни. Огромный реактивный лайнер оторвался от земли во вторник в 21.30 по токийскому времени. Через три с половиной часа самолет совершил посадку в Анкоридже — было 9 часов утра по местному времени и благодаря перелету через международную линию дат все еще вторник. В 11 часов утра начался перелет в Европу, который продолжался восемь с половиной часов через полярные просторы при ярком свете летнего солнца. Когда самолет приземлился в Копенгагене, была среда, 6.25 утра. Со времени вылета из Токио прошло около семнадцати часов, и почти весь полет проходил при дневном свете. Когда пассажиры сошли с лайнера, они имели смертельно усталый вид».

С каждым годом накапливалось все больше подобных сообщений и становилось ясно, что недомогания, ощущаемые пассажирами трансатлантических лайнеров, вызывает нечто иное, чем просто скорость полета.

Пилоты, летающие на реактивных самолетах, отмечали, что перелеты с запада на восток более угнетают, чем перелеты с востока на запад. А перелеты с севера на юг и обратно с теми же скоростями и на те же расстояния не оказывают никакого особого действия. Происходит это по той причине, что перелеты через многие меридианы выбивают живые часы человека из фазы с его окружением, тогда как перелеты вдоль меридианов, то есть перелеты, придерживающиеся одних часовых поясов, не сказываются на работе внутренних часов.

Весьма вероятно, что расхождение внутренних часов с местным временем вызывает своего рода стрессовую реакцию организма, но более точная причина такого стресса и пути освобождения от него остаются пока неясными.

Можно ли извлечь из чисто научных исследований какое-либо рациональное зерно для решения этой практической задачи?

Ашофф отвечает на этот вопрос положительно. Не исключено, что снова синхронизировать внутренние часы пассажиров можно, используя, например, искусственные указатели времени. Для этого пассажиров сразу же после полета следует подвергнуть воздействию укороченных периодов света и темноты. Однако все эти соображения находятся пока в стадии теоретического осмысливания и предварительных экспериментов на животных… Мы слишком мало еще знаем, что именно происходит с людьми, чтобы подвергать их этим испытаниям.