Мозг, ты спишь? 14 историй, которые приоткроют дверь в ночную жизнь нашего самого загадочного органа

В 1930-х годах Натаниэл Клейтман, один из отцов-основателей современной науки о сне, проводил эксперименты над собой и другими людьми в глубине Мамонтовой пещеры в штате Кентукки, самой длинной известной системе пещер в мире. Глубоко под землей, в отсутствие света и колебаний температуры и влажности, он пытался навязать организму 28-часовой цикл, однако это оказалось не под силу ученому. Даже без внешнего воздействия солнечного света температура тела, режим сна и другие физиологические параметры сохранили свой 24-часовой ритм. Это указывало на то, что какой-то наш внутренний механизм выступает в роли часов, ведущих отсчет времени.

Такие часы, судя по всему, имеются у каждого живого организма на планете. Бактерии, одноклеточные организмы, растения, мухи, рыбы и киты – у всех есть такие внутренние часы. Для некоторых форм жизни потребность в этих часах очевидна. Но зачем знать, который час, бактериям или растениям? Конечно, последним нужно знать, когда светит солнце, чтобы раскрывать свои листья и запускать процесс фотосинтеза, однако для этого не нужны сложные внутренние часы – достаточно просто научиться чувствовать наличие солнечного света. Да и зачем рыбам, живущим в темноте пещер, лишенным солнечного света на протяжении тысяч поколений, держаться за эти часы? Их наличие указывает на то, что циркадный ритм заложен в самой сущности жизни, что со времен существования последнего «универсального общего предка», от которого произошли все формы жизни на Земле, эволюционное давление и естественный отбор способствовали сохранению внутренних часов.

Вместе с тем очень сложно понять, в чем именно заключалось это эволюционное давление на самом конце известного нам жизненного спектра – у бактерий и водорослей.

Есть предположение, что причина развития циркадных ритмов у бактерий и водорослей может крыться в стремлении избежать деления клеток, подразумевающего копирование генов, в моменты воздействия ультрафиолетового излучения, которое, как известно, провоцирует появление мутаций.

Согласно общепризнанной гипотезе, циркадные ритмы появились в ходе эволюции с целью контроля производства генов, которые противодействуют суточным колебаниям уровня кислорода в воде и повреждениям, вызываемым кислородом. Циркадные ритмы могли появиться во времена так называемой кислородной катастрофы, имевшей место примерно 2,45 миллиарда лет назад. Этот период времени характеризуется эволюцией цианобактерии, или сине-зеленой водоросли, ставшей, как считается, первым микроорганизмом, у которого развился фотосинтез – механизм преобразования углекислого газа в кислород с использованием солнечной энергии. В те времена уровень кислорода в атмосфере был низким, и любой свободный кислород сразу же вступал в химическую реакцию с другими веществами, присоединяясь к их молекулам. Резкий же рост свободного кислорода в атмосфере, вызванный деятельностью цианобактерий, как считается, спровоцировал одно из самых массовых вымираний в истории планеты, убив большинство организмов, для которых этот элемент был крайне токсичным. Выжившим организмам нужно было выработать механизм, который защищал бы их от опасного воздействия свободного кислорода. Считается, что эта потребность в защите привела к эволюции так называемых редокс-белков, которые поглощают токсичные побочные продукты химических реакций с участием кислорода. Теория гласит, что организмы, предсказывая появление солнечного света и понимая, когда уровень кислорода увеличится, могли защищать себя от его токсичного воздействия, вырабатывая эти белки в нужное время дня. Но на самом деле происхождение циркадных ритмов остается загадкой.

Любые часы должны предоставлять возможность настройки или сброса, подобно тому как часовщик возится с маятником напольных старинных часов, чтобы они показывали правильное время. Циркадные ритмы, особенно у более сложных организмов, должны перестраиваться в соответствии со сменой сезонов. За последние несколько десятилетий мы добились значительного прогресса в понимании того, как именно это происходит, и теперь знаем о влиянии внешних факторов, которые сдвигают наши циркадные ритмы в ту или иную сторону. Эти факторы получили название Zeitgebers – «задатчики времени» в переводе с немецкого, или синхронизирующие факторы.

Предоставленный самому себе, наш циркадный ритм настроен на 24,2 часа, и без синхронизирующих факторов наши внутренние часы постепенно убегали бы вперед.