Где расположены "биологические часы"?

Тайна сна

"Мимоза реагирует на солнечный свет и наступление дня: ее листья и стебли сокращаются и поворачиваются к солнцу. Ту же реакцию можно увидеть, если поворачивать растение руками или гнуть его. Господин де Майрон обнаружил, что солнце и воздух не являются необходимыми элементами для этого феномена. И что эта реакция лишь слегка ослабляется, если выдерживать растение в полной темноте. Оно продолжает четко раскрываться при восходе, закрываться на закате и оставаться закрытым всю ночь. Таким образом, растение мимоза реагирует на солнце, даже будучи полностью от него изолированным... Господин де Майрон приглашает ботаников и врачей заняться этими наблюдениями, даже если они предпочитают посвятить свое время другим проблемам. Истинные физические, то есть экспериментально-физические, исследования пока мало что дают для понимания данного явления".

Эта выдержка из наблюдений за мимозой была опубликована Жан-Жаком Дорту де Майроном в материалах Королевской академии наук в Париже в 1729 году. Он обнаружил, что 24-часовой ритм движений листьев растения сохраняется и в темноте, и следовательно, это было первым указанием на то, что биологические ритмы могут сохраняться и в отсутствии внешних влияний. Это сообщение, опубликованное более 250 лет назад, было совершенно правильным не только в отношении наблюдений за мимозой, но также и насчет предсказания медленного прогресса науки в этом направлении: открытие де Майрона не изучалось как следует другими учеными вплоть до наших дней.

Одним из первых современных ученых, который занялся ритмами у растений, был Эрвин Бюннинг, профессор ботаники в университете в Тюбингене (Германия). Впоследствии интерес ученых постепенно перемещался от растений к животным. Пионерские опыты по биоритмам были проведены двумя "отцами" хронобиологии (науки о биологических ритмах) - английским биологом Колином Питтендрай, который ныне работает в США, и немецким специалистом в области поведенческой физиологии Юргеном Ашоффом. На первой большой конференции по хронобиологии в местечке Колд Спринт Харбор, штат Нью-Йорк, в 1960 году стало ясно, что 24-часовые ритмы пронизывают все природные явления. Как мы уже видели при рассмотрении исследований, выполненных на людях, ритмы животных также обычно соответствуют световому циклу окружающей среды, но сохраняются даже после устранения внешних воздействий. Здесь также "внутренние часы", должно быть, несут ответственность за поддержание биоритмических процессов.

Когда организм существует в изоляции от реального времени, то нормальная периодичность суточных ритмов отклоняется от 24 часов. Франц Хальберг, хронобиолог, работающий в США, ввел термин "циркадианные", или "циркадные", ритмы, ставший сейчас общепринятым (от латинского "цирка"-около и "диес"-день). В отсутствие информации о времени проявляется "свободнобегущий" (или просто "свободный") циркадный ритм. Последние четверть века изучению циркадных ритмов была посвящена большая и интересная работа: зоологи изучали их развитие у насекомых, моллюсков и других беспозвоночных, тогда как биологи, изучающие клетки, занялись природой биоритмов у одноклеточных организмов. Центральным вопросом остаются физиологические структуры и биологические процессы, ответственные за циркадные ритмы.

Давайте возьмем конкретный пример. Двигательную активность крыс измеряли с помощью датчика, прикрепленного к днищу клетки. Первые две недели животное находилось в условиях искусственного освещения, которое включалось автоматически в 11 утра и выключалось в 11 вечера. Крыса - ночное животное, активное в темноте и отдыхающее на свету. Начиная с 15-го дня опыт проводился в полной темноте, сохранявшейся круглые сутки. Животное находилось в звуконепроницаемой камере без доступа света извне и не получало никакой информации о времени суток. Как уже говорилось в отношении людей, ритмы "покоя-активности" в этих условиях отнюдь не исчезают. Однако их периодичность изменяется и уже больше не составляет 24 часа. И в этом опыте периодичность смены поведения крысы также удлинялась.

Из этого эксперимента можно видеть, что световой цикл окружающей среды - важнейший источник информации о времени для циркадной ритмики крыс, это справедливо также и для большинства других животных. На языке хронобиологии свет является цайтгебером, то есть внешним сигналом, синхронизирующим циркадные ритмы организма. Такая синхронизация вовсе не требует, чтобы светлый период длился 12 часов. Многочисленные опыты показали, что даже очень короткие световые экспозиции (обычно 15-60 минут, а в исключительных случаях даже одиночные вспышки) достаточны для того, чтобы синхронизировать по фазе циркадные ритмы.

До сих пор мы говорили о связи циркадных ритмов с окружающей средой, а теперь пора вернуться к вопросу об их происхождении. В 1920-х годах Курт Рихтер, профессор Университета Джона Гопкинса, начал обширные опыты по изучению ритма "покоя-активности" крыс и обнаружил, что циркадные ритмы почти не поддаются воздействию при различных манипуляциях. Он содержал лабораторных животных при различных температурах, подвергал их воздействию голода, жажды и стресса, удалял гормональные железы, разрушал различные области мозга, вводил им всевозможные препараты. Ни одна из этих мер не оказывала никакого эффекта на периодичность или фазу циркадного ритма "покой-активность". Рихтер не наблюдал никаких изменений до тех пор, пока не удалил обширную область межуточного мозга крысы, и это наблюдение привело его к предположению, что "внутренние часы" должны быть расположены в этой части мозга. Эта идея оказалась справедливой.

В 1972 году два психолога-экспериментатора из Калифорнийского университета в Беркли, Фред Стефан и Ирвинг Цукер, опубликовали статью, которая ознаменовала переворот во всей области изучения биоритмов. Они сообщили, что разрушение у крыс небольшой области межуточного мозга приводит к полному исчезновению циркадных ритмов: ритма "покоя-активности" и ритма потребления воды. После такого хирургического вмешательства двигательная активность и питьевое поведение у животных становятся случайно распределенными во времени суток. Однако потребление жидкости остается на нормальном уровне, и серьезных нарушений поведения не наблюдается. Критическая анатомическая структура представляет собой ядро межуточного мозга размером 1-2 миллиметра (в мозге крысы), которое лежит в глубине мозга, прямо над пересечением зрительных нервов (называемым хиазма оптикум). По сравнению с нормальными животными у крыс с проведенным разрушением этих супрахиазматических ядер (парных) ритм полностью исчезает и периоды активности оказываются распределенными в случайной последовательности в течение 24 часов. В сотрудничестве с Ирен Тоблер и Джерардом Гроосом (талантливым молодым исследователем из Голландии, погибшим в автомобильной катастрофе несколько лет назад) мы занялись вопросом, вызывает ли исчезновение циркадного ритма "сон-бодрствование" разрушение также и регуляции глубокого медленного и парадоксального сна. Мы обнаружили, что "аритмические" животные также реагируют на лишение сна увеличением глубокого медленного сна и парадоксальной фазы и пришли к заключению, что циркадный ритм "сон-бодрствование", с одной стороны, и регуляция сна как функция предшествующего бодрствования - с другой, управляются различными механизмами.

Вслед за открытием Стефана и Цукера появились многочисленные работы, которые подтвердили, что разрушение супрахиазматических ядер приводит к исчезновению циркадных ритмов. Но тогда возник следующий вопрос: действительно ли эти области представляют собой долгожданное место расположения "биологических часов" организма или это скорее важные координационные центры системы, которая управляет ритмами. В попытке ответить на этот вопрос два исследователя из известного Института Мицубиси близ Токио, Шиничи Иноуйе и Хироши Кавамура, провели опыты с крысами, у которых нервные волокна, соединяющие супрахиазматические ядра межуточного мозга с остальным мозгом, были разрушены. Тонкие вживленные электроды регистрировали активность нервных клеток в этих ядрах, изолированных таким образом, тогда как другие электроды регистрировали активность других областей мозга. Как и ожидалось, после того как волокна были разрушены, все признаки циркадных ритмов в поведении животных и в электрической активности других отделов мозга, нежели межуточный мозг, полностью исчезли. С другой стороны, изолированные супрахиазматические ядра в рисунке разрядов своих нервных клеток продолжали демонстрировать циркадный ритм. Очевидно, циркадный ритм сохраняется в этой области, даже когда она не связана с другими частями мозга.

Таким образом, имеется серьезное доказательство в пользу предположения, что циркадные ритмы могут возникать в самих супрахиазматических ядрах. Тем не менее ряд вопросов остается пока без ответа и продолжается обсуждение того, могут ли другие структуры вне этой области также генерировать ритмы или хотя бы превращаться в запасные часы, если главные часы сломались.

Александр А. Борбели, 1989 год