Будильник еще не успел прозвенеть, но мы уже проснулись — это проявление работы удивительных внутренних часов, которые управляют всей жизнью на Земле. В рамках знаменитых Рождественских лекций Королевского института (The Royal Institution) профессор физиологии Нэнси Ротвелл исследует, как биологические ритмы синхронизируются с вращением планеты, почему нарушается наш сон и как гены определяют продолжительность жизни. С помощью живых демонстраций, исторических анекдотов и новейших научных открытий лектор раскрывает механизмы, позволяющие живым организмам измерять время без стрелок и циферблатов.
🌍 Пульс планеты: от древних календарей до космического вращения 0:27
Ужасающий звук утреннего будильника знаком каждому. В зимнее холодное и темное время вставать по утрам кажется особенно тяжело. Однако каждый замечал, что перед важным событием организм часто просыпается за мгновение до сигнала, а в выходные дни мы бодрствуем в привычное время, даже если никуда не нужно спешить. Жизнь человека полностью подчинена расписанию: автобусы, уроки, любимые телепередачи и праздники вроде Рождества или наступления нового тысячелетия. Мы носим часы, чтобы не уподобляться Белому Кролику из «Алисы в Стране чудес», но время оказывает куда более масштабное влияние на биосферу Земли.
Смена дня и ночи, сезонов и лунных циклов определяет количество света, тепла, доступность пищи и воды для животных, а также шансы хищников заметить добычу. Растение пуансеттия всегда зацветает к Рождеству, а еж Болдрик точно знает, когда наступает пора впадать в спячку. В биологии существует множество ритмов: от импульсов нервных клеток, длящихся доли секунды, до невероятного 17-летнего цикла периодических цикад. Их яйца лежат в земле ровно 17 лет, после чего в один и тот же день и час миллиарды насекомых синхронно выбираются наружу, образуя гигантские рои. Способность воспринимать сигналы времени жизненно необходима для адаптации и выживания.
Главным временным сигналом на планете является Солнце, которому поклонялись древние народы, например, египетский бог Ра. Именно древние египтяне в 3500 году до н. э. первыми разделили сутки на 24 часа. Однако их система фиксировала строго 12 часов дневного света и 12 часов ночи, из-за чего продолжительность самого часа постоянно менялась в зависимости от сезона. Лишь 500 лет спустя вавилоняне зафиксировали стабильную длину часа, которой мы пользуемся и сегодня. Период в 24 часа критически важен, поскольку именно столько времени требуется Земле для совершения одного оборота вокруг своей оси. С помощью вращающегося глобуса и светового датчика, подключенного к самописцу, волонтер София продемонстрировала, как на поверхности планеты непрерывно сменяются фазы света и темноты, а перекрытие источника света мгновенно имитирует эффект солнечного затмения.
🦉 День и ночь: биологические ритмы и их повелители 7:20
Большинство животных крайне чувствительны к солнечному свету. Медузы совершают длительные миграции, следуя за солнечными лучами ради тепла и энергии, а горные цветы на протяжении дня поворачивают свои головки вслед за светилом. Птицы безошибочно определяют приближение рассвета. Человек относится к дневным (диурнальным) существам, активным в светлое время суток. 24-часовой осевой цикл Земли задает ритм для большинства процессов в нашем теле: частоты сердечных сокращений, дыхания и уровня ключевых гормонов.
[Image of sleep cycles EEG and brain waves]
Одним из важнейших суточных циклов является изменение температуры тела. В течение дня она держится на высоком уровне, ночью резко падает, а утром снова поднимается. В ночные часы, когда большинство процессов замедляется, человек становится наиболее вялым и малореактивным. К сожалению, именно на ночное время приходится пик таких опасных медицинских состояний, как инфаркты и инсульты. Кроме того, реакция организма на лекарственные препараты кардинально меняется в зависимости от времени суток, а у людей, работающих посменно, из-за колебаний гормонального фона могут фиксироваться ложные медицинские показатели.
Каждую ночь мы погружаемся в сон — процесс, необходимый для отдыха, восстановления и очищения организма. Сон — это не просто пассивный отдых, а радикальное изменение электрической активности мозга, фиксируемое с помощью электроэнцефалограммы (ЭЭГ). Ученые выделяют две ключевые фазы сна:
- Фаза быстрого сна (REM-сон): сопровождается резкими, внезапными движениями глазных яблок, регистрируемыми специальными электродами.
- Медленноволновой сон: характеризуется длинными, плавными и глубокими волнами на графике ЭЭГ, отражающими глубокое торможение коры.
В мире фауны продолжительность сна напрямую зависит от размеров тела: маленькие животные спят дольше крупных. Если летучая мышь может спать до 20 часов в сутки, то корова отдыхает всего 4 часа, а жираф — около 2 часов. Удивительной адаптацией обладают дельфины: половины их мозга спят поочередно, что позволяет одной части отдыхать, пока вторая бодрствует и следит за безопасностью. Тюлени же засыпают сразу после начала глубокого погружения, что помогает им существенно экономить кислород под водой, и просыпаются строго на нужной глубине в абсолютной темноте.
🌙 Охотники сумерек и жизнь в абсолютной темноте 12:13
В отличие от человека, многие виды пробуждаются лишь в сумерках или глубокой ночью. Ягуар выходит на охоту под покровом тьмы, ежи и крошечные сони-полчки также ведут исключительно ночной образ жизни. Для этого им необходимы особые эволюционные приспособления: обостренное зрение, чуткий слух или эхолокация, как у летучих мышей.
Прекрасным примером сумеречного охотника является сипуха по кличке Блисс, которую продемонстрировала ассистент Пенни. Огромные глаза птицы улавливают малейшие кванты света, но еще более поразительно устроен ее слух. Лицевой диск сипухи разделен пополам жестким перьевым барьером. Это анатомическое разделение позволяет птице мгновенно улавливать разницу во времени прибытия звука (например, шороха мыши за сотни метров) в левое и правое ухо. По расчетам ученых, мозг совы способен дифференцировать временную задержку звука между ушами, составляющую менее одной десятитысячной доли секунды. Особое мягкое оперение делает полет сипухи абсолютно бесшумным, лишая жертву шанса услышать приближение хищника.
Чтобы наглядно показать особенности ночного видения, волонтер Бен примерил тяжелые ночные очки, снятые с советского танка. В условиях полной темноты в студии эти инфракрасные линзы позволили ему успешно прочитать текст на плакатах, которые держали зрители на верхних рядах, продемонстрировав, как технологии имитируют природные суперспособности ночных животных.
Однако на Земле существуют виды, которые вообще никогда не видят солнечного света. Слепая пещерная рыба полностью утратила глаза в процессе эволюции, а ядовитая подземная многоножка проводит всю жизнь в кромешной тьме глубоких пещер. Для этих существ свет не может служить ориентиром, однако их биологические ритмы все равно продолжают функционировать в режиме, близком к 24 часам.
🕵️♂️ В поисках внутреннего хронометра: пещеры, шахты и «свободный ход» 17:10
Пытаясь понять природу этих скрытых ритмов, ученые начали строить подземные лаборатории в глубоких подвалах университетов, где отсутствовали изменения температуры и освещения. Один американский исследователь проводил свои опыты на дне заброшенной шахты на глубине более 3 тысяч метров. К его изумлению, изолированные животные и растения продолжали демонстрировать четкие суточные циклы, практически не отличавшиеся от их ритмов на поверхности.
В начале 1960-х годов французский ученый провел смелый эксперимент, отправив мужчину и женщину жить в две изолированные пещеры на полгода без каких-либо внешних временных ориентиров. Добровольцы фиксировали свою температуру и время сна. В первые дни их графики спутались, но затем выровнялись в стабильный цикл. Когда участники вышли на поверхность, оказалось, что они потеряли счет времени и провели под землей гораздо больше дней, чем им казалось. Их внутренний биоритм сохранился, но его период составил чуть больше суток — около 24,5 часов. Последующие многонедельные тесты добровольцев в изоляции без радио, ТВ и окон подтвердили: естественные часы человека имеют «свободный ход» длиною примерно в 24,5 часа.
Чтобы смоделировать этот процесс, ассистент Дэвид использовал два раскачивающихся шара. Желтый шар символизировал Солнце со строгим 24-часовым периодом. Второй шар отражал ход внутренних биологических часов. Будучи запущенными одновременно, они постепенно расходятся из-за разницы в периодах. В реальной жизни солнечный свет каждое утро выступает в роли «сбрасывателя счетчика», подстраивая наши неточные внутренние часы под строгий астрономический цикл планеты. Если этот сигнал исчезает, ритмы неизбежно сдвигаются.
👁️ Глаза, которых мы не замечаем, и загадка слепого слепыша 21:56
Традиционно считается, что свет улавливается исключительно глазами. Профессор Ротвелл продемонстрировала томограмму (МРТ) собственного мозга, показывающую зрительные нервы, идущие от глаз вглубь черепной коробки. Но далеко не все животные зависят от глаз. Игуана по кличке Стиг обладает уникальной особенностью: на темени его черепа есть крошечное истонченное полупрозрачное пятно. Даже с плотно закрытыми глазами эта ящерица способна улавливать свет непосредственно тканями мозга через этот «небесный свет» в черепе.
Долгое время биологи искали млекопитающих, лишенных биоритмов. Главным исключением стал голый землекоп — безволосое подземное существо с огромными зубами, обитающее в стабильных условиях без света и температурных колебаний. Эти животные не имеют суточных ритмов и, в отличие от других млекопитающих, не поддерживают постоянную температуру тела (37 °C), позволяя ей меняться вместе с окружающей средой.
Ученые ожидали, что любое слепое животное должно полностью утратить суточные ритмы. Действительно, полностью незрячие люди часто страдают от тяжелых нарушений сна и бодрствования из-за невозможности синхронизации с миром. Однако биологи обнаружили близкого родственника голого землекопа — слепого слепыша. Этот грызун абсолютно слеп, но его биологические часы работают с поразительной точностью, идеально соответствуя 24-часовому циклу.
Разгадка этой тайны была опубликована группой лондонских ученых. Они обнаружили в глазах слепыша совершенно новый, ранее неизвестный тип световых рецепторов. Эти датчики не участвуют в формировании зрительных образов, а служат исключительно для улавливания уровня освещенности и передачи сигнала внутренним часам. Как оказалось, аналогичные скрытые рецепторы есть и у многих незрячих людей, что позволяет их организму сохранять нормальные суточные ритмы вопреки слепоте.
🧠 Анатомия часов: гипоталамус, мелатонин и генетический код 27:03
У большинства низших позвоночных и птиц внутренние часы локализованы в шишковидной железе (эпифизе), расположенной прямо под теменным отверстием, как у игуаны Стига. Эпифиз часто называют «третьим глазом». Еще в 1662 году французский философ Рене Декарт подробно описывал эту железу, считая ее «обителью души» и указывая на ее прямую связь со зрительными путями. По мнению Нэнси Ротвелл, Декарт опередил свое время, ведь временные биоритмы являются фундаментальной основой нашей биологии. У человека и млекопитающих структура усложнилась: главный хронометр переместился вглубь мозга, в область под названием гипоталамус. Этот «мастер-ключ» принимает сигналы от глаз и координирует периферийные ритмы, отправляя команды в тот же эпифиз.
История открытия часового гормона связана с забавными экспериментами над головастиками. В начале XX века ученые знали, что гормон тироксин заставляет головастиков превращаться в лягушек. Но затем обнаружилось, что экстракт шишковидной железы заставляет кожу головастиков резко бледнеть. Выделенное вещество назвали мелатонином.
Мелатонин — это «гормон темноты». Его уровень в крови лавинообразно нарастает ночью и падает до минимума при появлении света, зеркально отражая график температуры тела. Именно мелатонин запускает каскад ночных перестроек в нашем организме.
Но как устроен сам часовой механизм на клеточном уровне? Прорыв в этой области был сделан при изучении обычных домашних хомяков. Эти ночные животные обожают бегать в колесе, преодолевая за ночь расстояние до 10 миль (около 16 километров). Записывая их активность, ученые из Манчестера получили четкие графики: хомяк начинает бег строго с наступлением темноты. В условиях постоянной темноты его график начинает плавно сдвигаться примерно на 1 минуту в день.
Затем исследователям улыбнулась удача: они обнаружили хомяка с естественной генетической мутацией в гене, названном tau. В темноте такой мутантный хомяк демонстрировал укороченный цикл — всего 20 часов вместо 24. Каждый день он просыпался на 4 часа раньше предыдущего.
Изучая еще более простые организмы (дрозофил, червей и даже грибы), генетики выделили ключевой ген часов — period (per). Этот же ген был обнаружен в структурах гипоталамуса млекопитающих, что доказывает универсальность молекулярного механизма времени для всего живого.
✈️ Сбои в системе: джетлаг, смена часовых поясов и навигация во времени 35:12
Современное общество круглосуточного потребления разрушает естественные связи с природой: люди работают в ночные смены и ходят в круглосуточные супермаркеты. Доказано, что ночные сменщики работают менее эффективно и чаще совершают ошибки. Вторая серьезная проблема — авиаперелеты. Полеты в меридиональном направлении (север — юг) не вызывают проблем, но перемещение по широтам (восток — запад) резко меняет часовые пояса. Когда в Лондоне полдень, в Нью-Йорку только 7 часов утра, а в Сиднее — уже 10 часов вечера.
Возникает рассинхронизация (джетлаг), вызывающая плохое самочувствие. На адаптацию к новому поясу организму требуется примерно один день на каждый час разницы. Ускорить адаптацию помогает правильное светолечение. Обычный домашний или офисный свет слаб (всего 300–500 люкс), для перестройки часов необходим яркий солнечный свет или специальные лампы мощностью от 2500 люкс. Также эффективен искусственный прием мелатонина, помогающий слепым людям, посменным рабочим и путешественникам обмануть внутренний таймер.
Помимо регуляции сна, точное время необходимо животным для навигации. Профессор Ротвелл попросила зал указать, где находится север, и зрители указали во всех возможных направлениях, кроме правильного. Для точной навигации по Солнцу или звездам необходимо знать, сколько времени прошло с момента старта и как высоко поднялось светило. Исторически это было главной проблемой мореплавателей: ошибка в определении времени всего на 1 минуту оборачивалась на море погрешностью в 15 морских миль и грозила катастрофой.
Так, в результате навигационной ошибки адмирал Клаудсли Шовелл разбил британский флот у островов Силли, погубив 2000 моряков. После этого правительство учредило огромный приз, который в 1735 году выиграл Джон Харрисон, создавший первый точнейший морской хронометр, дававший погрешность всего в 5 секунд за 3 месяца плавания.
Природа опередила инженеров на миллионы лет. Пчелы используют для навигации замысловатый «виляющий танец», передавая улью точные координаты цветов с поправкой на движение Солнца во времени. Перелетные птицы преодолевают тысячи километров. Эксперимент в планетарии с птицами славками-черноголовками, рожденными в неволе, показал невероятное: в сентябре птицы начинали синхронно трепыхаться строго в юго-восточном направлении (в сторону Кипра). Отработав положенное на перелет время, они меняли курс строго на юг (в сторону Кении). Их крошечный мозг с рождения содержит встроенный компас, карту и идеальные часы.
❄️ Времена года: зимняя диета хомяков и тайны анабиоза 43:55
Сезонные изменения наклонной оси Земли при движении вокруг Солнца кардинально меняют длину дня в северном и южном полушариях, что вновь было продемонстрировано на физической модели глобуса. Зимой дни коротки, а ночи длинны. Для диких животных зима — это прежде всего угроза голода. Белки прячут орехи, но некоторые виды предпочитают запасать пищу в виде собственного подкожного жира, одновременно спасающего от холода.
Ассистент Оуэн продемонстрировал двух хомяков одного вида, содержавшихся в разных условиях:
- «Летний» хомяк: жил в условиях длинного светового дня. Его организм активно запасал жир, и вес зверька составил 35 граммов.
- «Зимний» хомяк: содержался в режиме короткого дня. Его шерсть начала белеть (зимний камуфляж), он перестал есть и похудел до 22 граммов, так как природа сигнализировала ему об отсутствии еды вокруг.
Другая стратегия — глубокая спячка (гибернация), в которую впадают еж Болдрик и черепаха Лайфорд. Еще 200 лет назад натуралист Гилберт Уайт описывал спячку своей черепахи Тимоти, терявшей вес за зиму. У зимующих ежей температура тела падает до экстремальных 5 °C, дыхание почти незаметно, а сердце практически останавливается. Суслики демонстрируют феноменальную точность: они засыпают строго между 5 и 12 октября, а пробуждаются между 20 и 22 апреля. Медведи же впадают не в спячку, а в поверхностный сон (торпор), прерываясь на зимние «перекусы». Летучие мыши за счет еженощного снижения температуры экономят до 80% энергии.
Сезоны также диктуют время размножения (осенний гон у оленей, брачные танцы птиц), чтобы потомство появилось на свет весной, когда тепло и много еды. У людей до эпохи Майкла Фарадея (основателя лекций) также прослеживался четкий всплеск рождаемости в марте, однако сегодня, в условиях искусственного климата, дни рождения распределены по календарю равномерно.
⏳ Последний отсчет: почему стареют клетки и как продлить жизнь 53:10
Последние, самые загадочные биологические часы идут внутри каждого из нас с момента рождения — это часы продолжительности жизни. Век поденки длится всего один день, слоны живут 70–80 лет, а гигантские черепахи — веками. Обычно прослеживается корреляция: мелкие животные живут меньше крупных, но из этого правила есть масса исключений — летучие мыши, лобстеры и карпы легко перешагивают 50-летний рубеж.
Оказалось, что клетки тела имеют генетически запрограммированное число делений. За то время, пока лектор произносила одно короткое предложение, в ее теле отмерло 50 миллионов клеток. Клетки кожи и крови быстро заменяются новыми, но погибшие нейроны головного мозга утрачиваются навсегда.
Механизм подсчета клеточного времени кроется на концах хромосом в ДНК — в концевых участках, именуемых теломерами. Они не несут генетического кода, но необходимы для копирования цепочки. При каждом делении клетки теломера немного укорачивается. Когда она становится критически короткой, клетка больше не может делиться и погибает.
По мнению Нэнси Ротвелл, недавние открытия вселяют огромный оптимизм. Коллеги профессора из Манчестера, изучающие микроскопических круглых червей C. elegans (длиной всего 1 мм и с жизненным циклом в 15 дней), совершили прорыв. Под микроскопом старые черви еле двигались, доживая свой срок. Однако ученые обнаружили уникальный ген age-1, управляющий старением. Путем направленной мутации этого гена исследователям удалось замедлить старение червей: особи с измененным геном в возрасте 15 дней оставались бодрыми и активными, получая дополнительные 15–20 дней жизни (фактически удваивая свой век). По мнению Ротвелл, если ученые смогут научиться аналогичным образом контролировать человеческий аналог гена age-1, естественный предел жизни человека вполне может отодвинуться до 120 лет.
