Ритм Вселенной. Как из хаоса возникает порядок

Из первых 12 «подопытных кроликов», которых изучали Вейцман и Чейзлер, шестеро пережили состояние внутренней рассинхронизации[70]. В силу каких-то причин эти участники эксперимента раз за разом подолгу (очень подолгу!) спали и бодрствовали, то есть с ними происходило то же самое, что с Сиффре в пещере Миднайт-Кейв. У кого-то из них этот странный режим сна и бодрствования (в среднем циклы сна и бодрствования составляли у них 40 часов) поддерживался до самого окончания эксперимента. У других длительные циклы сна и бодрствования регулярно чередовались с более привычными циклами, тогда как у третьих циклы сна и бодрствования в ходе эксперимента систематически удлинялись и к концу эксперимента они спали раз в двое суток, не отдавая себе отчета в этом. Казалось, что этому невозможно найти логическое объяснение.

Чейзлер был особенно заинтригован продолжительными эпизодами сна. Почему человек спит 15 часов подряд? Можно ли это объяснить продолжительностью периода бодрствования, предшествовавшего сну? Это выглядит вполне логично: нет ничего удивительного в том, что после продолжительного периода бодрствования человеку приходится больше спать. Но когда Чейзлер построил график зависимости продолжительности сна от продолжительности периода бодрствования, предшествовавшего этому сну, он увидел унылую горизонтальную линию. Несмотря на то что статистический тест на корреляцию выявил слабую тенденцию к увеличению продолжительности сна с увеличением продолжительности периода бодрствования, предшествовавшего этому сну, эта зависимость выглядела весьма неубедительно. Внимательно анализируя полученные данные, Чейзлер смог обнаружить немало контрпримеров, когда продолжительные периоды бодрствования сопровождались более коротким сном.

Между тем круглосуточные физиологические измерения показали, что ритмы температуры тела участников эксперимента, секреции гидрокортизона и быстрота реакций всегда оставались нерушимыми, как скала, а их периодичность была немногим больше 24 часов. Как бы непредсказуемо ни вел себя цикл сна и бодрствования, эти три внутренних ритма всегда оставались на удивление стабильными. Более того, они всегда оставались взаимно синхронизированными: их периоды были идентичны. Это могло стать ключом к разгадке.

Чейзлер решил испытать другой подход. Он представил на одном графике циклы температуры тела и сна в двумерном формате, который называется растровым графиком. Биологи с Оркнейских островов уже не один десяток лет пользуются этим типом графиков. Это стандартный способ представления ритма раскрытия листьев растений или ритма мыши, которая вертится в беличьем колесе, но еще никто не пытался использовать такие графики для исследования ритмов в организме человека. Термин «растровый» применяется по аналогии с растровой разверткой в телевидении, когда в ходе процесса, называемого наложением растра, осуществляется преобразование непрерывного потока электронной информации в двумерное изображение. Аналогично, при построении растрового графика поток данных, образующихся на выходе эксперимента, преобразуется в двумерный график. В процессе наложения растра этот поток данных разделяется на 24-часовые блоки, которые затем укладываются один на другой в виде штабеля кирпичей.

День 1 находится на самом верху такого штабеля, день 2 находится непосредственно под днем 1, и т. д. вплоть до последнего дня эксперимента, который находится на самом дне штабеля. Чтобы подытожить циркадные ритмы участника эксперимента в какой-то определенный день, черный квадрат отображает часы, когда этот участник спал, а серый квадрат показывает, когда температура его тела опускалась ниже своего среднего значения. Достоинство растрового графика заключается в том, что любые повторяющиеся картины в данных буквально бросаются вам в глаза. Строгий 24-часовой ритм распознается сразу же как вертикальная полоса, состоящая из квадратов, причем все они начинаются и заканчиваются в одно и то же время суток. Ритм, более продолжительный, чем 24 часа, выглядит как диагональная полоса с наклоном вправо.

Когда Чейзлер построил растровый график для одного из рассинхронизированных участников эксперимента, он сразу же заметил, что все эпизоды продолжительного сна – которые выглядели весьма загадочно – выстроились по диагонали. То же самое произошло с эпизодами короткого сна, которые выстроились вдоль другой диагонали, причем обе эти диагонали были параллельны диагональной полосе, образованной впадиной ритма температуры тела.

Из этого следовал потрясающий вывод. Несмотря на то что цикл сна и бодрствования, на первый взгляд, не был связан с температурным циклом, налицо была постоянная, устойчивая связь между ними: эпизоды продолжительного сна всегда начинались при высокой температуре тела, а эпизоды короткого сна всегда начинались при низкой температуре. Чейзлер сверил эти результаты с результатами других участников эксперимента и оказалось, что обнаруженная им закономерность соблюдается во всех случаях. Он повторно проанализировал старые данные, опубликованные группами исследователей во Франции, Германии и Англии, и оказалось, что во всех случаях соблюдается та же закономерность.

Чейзлер разгадал циркадный код! Изучая сон в его связи с циклом температуры тела (а не в связи со временем суток или какой-либо другой внешней переменной), он выявил естественную систему отсчета, естественную меру внутреннего времени организма человека. Если вопрос рассматривать с этой точки зрения, то данные, которые ранее казались «рваными» и «случайными», внезапно продемонстрировали стройность и организованность. Продолжительность сна человека не зависела от того, как долго он бодрствовал перед этим; она зависела от соотношения между моментом, когда этот человек уснул, и циклом температуры его тела.

Чтобы конкретизировать математическую форму этого соотношения, Чейзлер построил еще один график – график зависимости продолжительности десятков разных эпизодов сна от фазы цикла температуры человеческого тела во время сна. Другими словами, он взял все эпизоды сна, которые начинались, когда температура тела была низкой, и сгруппировал их вместе. Затем он проделал то же самое для эпизодов сна, которые начинались вблизи максимума температуры, и т. д. Это дало ему возможность сравнивать, образно говоря, яблоки с яблоками; его растровый график уже показал ему, что эпизоды сна, начинающиеся при одних и тех же фазах цикла температуры человеческого тела, должны быть одинаковыми по своей продолжительности. Чейзлер собрал данные по всем рассинхронизированным участникам своего эксперимента – кто-то из них был молодым, кто-то старым, для кого-то из них были характерны 30-часовые циклы, для кого-то 40-часовые. Несмотря на существенные индивидуальные различия во всех остальных отношениях между этими участниками эксперимента, продолжительность их сна группировалась в достаточно узком диапазоне, образуя слегка размытую версию некой универсальной математической кривой.

Каждый раз, когда участники эксперимента укладывались спать вблизи пика своего температурного цикла, последующий эпизод сна всегда оказывался очень продолжительным, составляя в среднем 15 часов. И наоборот, когда они укладывались спать вблизи времени минимальной температуры, они спали гораздо меньше – в среднем около 8 часов. «Облако» продолжительностей сна, рассматриваемое по всем фазам, было похоже на волну в форме зубца пилы[71].

Такой результат оказался весьма неожиданным. В отличие от температурного цикла тела, который имеет более привычный для нас вид синусоидальной кривой, «облако» продолжительностей сна было на удивление асимметричным. Продолжительность сна совершала вертикальный скачок с 7 часов до 18 часов для эпизодов, начинавшихся примерно через 9–10 часов после наступления минимальной температуры, затем следовало постепенное снижение по линейному закону с возвращением к коротким эпизодам сна.

Такое снижение по линейному закону представляется несколько нелогичным. Когда участники эксперимента укладывались спать с большим запаздыванием по сравнению с температурными циклами своего тела, они фактически спали меньше, несмотря на то что бодрствовали дольше. Столь же специфическая картина присутствовала в иррегулярном сне машинистов поездов и других людей, которым приходится работать в ночную смену[72]; то же самое явление вы можете наблюдать, когда сами возвращаетесь домой после вечеринки, затянувшейся далеко заполночь. Оказавшись в конце концов в постели и пытаясь поскорее уснуть в надежде на продолжительный, восстанавливающий силы сон, вы встаете уже через 5 или 6 часов, на протяжении которых тщетно пытались уснуть, беспокойно ворочаясь с боку на бок. Проблема в срабатывании внутреннего будильника вашего организма. Участники эксперимента, изолированные от времени, почти всегда просыпаются в первые несколько часов после того, как начнет повышаться температура их тела, примерно в то время, когда в организм выбрасывается максимальное количество гидрокортизона (гормон стресса в нашем организме) и нарастает наша готовность к действию. То же самое происходит в течение 24-часового вовлечения, о котором мы упоминали выше. Поэтому, если мы укладываемся спать позже, мы склонны просыпаться раньше: дело в том, что внутренний будильник нашего организма начинает звенеть независимо от того, удалось нам выспаться или нет.

Это было весьма приблизительное объяснение упоминавшегося выше наклона вниз. Чтобы понять вертикальный скачок, когда продолжительность сна может быть либо очень короткой, либо очень длительной, либо где-то в промежутке между этими крайностями, представьте, что вы не спали всю ночь, вплоть до наступления второй половины следующего дня. Затем, если вы позволите себе короткий послеобеденный сон, то может оказаться, что вы действительно просто вздремнете, а может так получиться, что вы проспите всю вторую половину дня, а затем и весь вечер и даже всю ночь.

Это объяснение основывается на подразумеваемом переходе между временем суток и так называемой аркадной фазой (фаза температурного цикла тела, единственный показатель времени, который имеет физиологическое значение в условиях продолжительной изоляции от времени). Чтобы экстраполировать этот результат на реальный мир, где как цикл сна и бодрствования, так и температурный цикл тела вовлекаются в 24-часовой суточный цикл, нам нужно привязать все биологические события к нижней точке температуры тела. Соответствующая формула перехода стала результатом дальнейших исследований, проведенных Чейзлером. У людей, которые вовлечены в 24-часовой, суточный цикл, температура тела обычно достигает своего минимума примерно за 1 или 2 часа до привычного для них времени пробуждения. Например, большинство тех, кто регулярно ходит на работу, просыпаются в 6 или 7 часов утра. Следовательно, минимальная температура тела у этих людей, вероятно, приходится на время между 4 и 6 часами утра. Скачок в продолжительности сна, вероятно, должен происходить у них примерно через 9–10 часов после этого, то есть в промежутке от 1 до 4 часов дня (от 13:00 до 16:00). А это и есть время послеобеденного сна.

Чейзлер и Вейцман обнаружили, что многие другие физиологические и когнитивные ритмы привязаны к фазе цикла температуры тела. Например, они попросили каждого из участников эксперимента оценить свою алертность[73] в разные моменты периодов своего бодрствования. Каждому из участников эксперимента вручили нечисловую непрерывную вертикальную шкалу, самая верхняя точка которой была помечена словами «очень алертный», а самая нижняя – словами «очень сонный», и попросили оценить свою алертность в те или иные моменты бодрствования, начертив линию на соответствующем уровне. (Шкалу решили не размечать числами, чтобы не вызывать у участников эксперимента соблазн автоматически повторять свои предыдущие оценки.) Результаты этого теста показали, что алертность идет рука об руку с температурой тела: алертность находится на низком уровне при низкой температуре и на высоком уровне при высокой температуре.

При использовании все той же формулы преобразования для перевода циркадной фазы в абсолютные значения времени эти данные предсказывают, что на протяжении 24-часового вовлечения минимальная алертность должна наступать примерно в момент температурного минимума, а именно между 4 и 6 часами утра. Это весьма специфическое время суток, пользующееся дурной славой. Инцидент на атомной электростанции Три-Майл-Айленда произошел именно в это время, причем в это время на дежурстве находилась бригада специалистов, которая успела поработать в ночную смену лишь несколько дней. Чернобыль, Бхопал, Exxon Valdez[74] – все эти катастрофы происходили посреди ночи, а их непосредственной причиной был пресловутый «человеческий фактор». Полевые исследования показали, что в период с 3 до 5 часов утра работники проявляют наибольшую медлительность при ответах на телефонные звонки и при реагировании на сигналы тревоги, а также неправильно оценивают показания измерительных приборов[75]. Это не самое лучшее время для бодрствования, особенно если от вас требуется выполнять монотонную, но важную работу. Те, кому часто приходится работать в ночную смену, называют этот промежуток времени «зомби-зоной».

Даже если вам никогда не приходилось работать в ночную смену, вы, наверное, замечали свой ритм алертности во время ночных бдений, которые случаются почти у каждого из нас. В какой-то момент, обычно между 3 и 6 часами утра, ваши глаза начинают слипаться. Желание уснуть становится почти непреодолимым. Однако спустя какое-то время откуда ни возьмись появляется «второе дыхание», и вы начинаете чувствовать себя значительно лучше. Это означает, что вы уже прошли впадину своего циркадного цикла. Теперь ваша алертность начинает повышаться вместе с повышением температуры тела и секрецией гидрокортизона. Интересный момент: то же самое «сонливое время» обнаруживается в результатах эксперимента по изоляции от времени, несмотря на то что участники эксперимента отнюдь не переутомлялись и не работали в ночную смену. Это означает, что зомби-зона встроена в биологическую систему человека.

Наряду с влиянием на алертность и продолжительность сна циркадные часы также регулируют внутреннюю структуру сна, в частности предрасположенность к быстрому движению глаз (rapid-eye movement – REM) во время сна[76]. REM является необычным состоянием – возможно, гораздо более необычным, чем кажется многим из нас. В этом состоянии так называемого «быстрого» сна наши глаза бегают из стороны в сторону. Частота нашего дыхания и сердцебиения изменяется хаотически. Функция спинномозгового подавления парализует тело, что, вообще говоря, не так уж плохо, поскольку это не позволяет нам совершать во сне какие-то действия под влиянием испытываемых нами эмоций. (В опытах на кошках, когда исследователи блокировали функцию спинномозгового подавления, кошки, пребывая в состоянии «быстрого» сна, бегали за воображаемой мышью.) У мужчин в состоянии «быстрого» сна часто бывает эрекция. Это явление непроизвольной эрекции позволяет врачам отличить психологическую импотенцию от физической; на время сна они заворачивают пенис пациента в рулончик почтовых марок, и если пациент просыпается с порванными почтовыми марками, значит его проблема носит скорее психологический, чем физический характер.

«Быстрый» сон в такой же степени отличается от «медленного» сна, в какой он отличается от бодрствования. Сон было принято считать примитивным, однообразным состоянием, при котором мозг и организм в целом «отключаются» на ночь. Лечь спать считалось примерно тем же самым, что загнать автомобиль в гараж и выключить двигатель[77]. Теперь нам известно, что наш двигатель – мозг – не отключается никогда. В состоянии «медленного» сна наш «автомобиль» (организм) пребывает в «гараже» с работающим двигателем, причем и педаль газа, и педаль тормоза полностью утоплены. (Нажатая до отказа педаль газа в данном случае означает работу мозга на полную мощность, а роль тормоза играет функция спинномозгового подавления, которая не позволяет нашему телу выполнять какие-то физические действия.)

«Быстрый» сон характеризуется своим собственным ритмом, гораздо более быстрым, чем циркадный ритм. Примерно каждые 90 минут наш мозг проходит разные стадии сна. После того как мы улеглись в постель, мы «проваливаемся» из бодрствования в легкий сон; затем – в глубокий сон, когда мозговые волны становятся большими и медленными; затем мы возвращаемся к легкому сну и переходим в состояние REM – первого из нескольких «быстрых» снов. Этот первый «быстрый» сон, как правило, бывает коротким (примерно от 10 до 20 минут). Эпизоды REM на протяжении ночи обычно удлиняются, и к наступлению раннего утра мы можем в течение целого часа выступать в роли зрителей некого сюрреалистического представления (возможно даже полноценного фильма ужасов).

Для людей, которые обычно вовлечены в 24-часовые сутки, пиковым временем для REM является раннее утро, близко к окончанию сна. Это объясняет, почему мы так часто просыпаемся именно после долгого сна и почему мужчины так часто просыпаются в состоянии эрекции. Но это общепринятое увязывание REM с окончанием сна на самом деле является неправильным обобщением. Это не является законом REM. Правильный закон был открыт Чейзлером и Вейцманом в ходе их экспериментов с изоляцией от времени. Когда они поначалу измерили мозговые волны участников своего эксперимента, они были поражениы, увидев, что REM быстрее всего аккумулировался ближе к началу сна, а не к его окончанию. К тому же именно в это время наблюдались самые продолжительные эпизоды REM. Эти результаты полностью противоречили тому, что обычно рассказывают на лекциях студентам-медикам. Вообще говоря, REM в начале сна обычно случается очень редко и является признаком нарколептического заболевания – разладом сна, подрывающим силы человека.

Столь парадоксальные результаты начали обретать смысл, когда Чейзлер и Вейцман поняли, в чем заключается истинный закон REM. Предрасположенность REM синхронизирована с температурным циклом тела, а не со сном как таковым. Нашему мозгу все равно, в какой стадии сна – начальной или конечной – мы пребываем; для него гораздо важнее, какое время в данный момент показывают внутренние часы нашего организма. Правило заключается в том, что наступление REM наиболее вероятно сразу же после завершения той части температурного цикла, когда наше тело оказывается самым холодным. В случае 24-часового вовлечения большинство людей пробуждается в момент циркадной фазы и именно поэтому REM так часто встречается в конце сна. Напротив, рассинхронизированные участники эксперимента зачастую засыпают при достижении минимума температуры, и именно поэтому REM у них зачастую наступает в начале сна. Ничего патологического в этом нет.

В ногу с температурным циклом тела шагают не только циркадные ритмы продолжительности сна, алертности и предрасположенности REM. Дальнейшие исследования показали, что наши ритмы краткосрочной памяти, секреции гормона мозга мелатонина и нескольких других когнитивных и физиологических функций совпадают с тем же периодом и поддерживают постоянные соотношения фаз с температурным циклом тела и друг с другом. Существует лишь один простой способ объяснить, как все эти разнородные ритмы могут быть тесно связаны между собой: все они должны управляться из одного и того же биологического центра (пункта привязки).

В течение долгого времени этот циркадный задатчик ритма был лишь неким умозрительным объектом, гипотезой. О его существовании лишь догадывались на основе ряда косвенных признаков; для науки он был тем же самым, чем в конце XIX столетия были для нее атомы. Поиск его местоположения в организме всегда имел шансы свестись к погоне за ложной целью. В конце концов, ранние эксперименты с одноклеточными водорослями показали, что даже у них могут проявляться циркадные ритмы. Поэтому у более сложных, многоклеточных организмов (например у человека) могло оказаться, что весь организм состоит из триллионов таких центров. Иными словами, в уточнении нуждается сама формулировка: не центр может содержаться внутри нас, а мы сами можем быть таким центром.

И эта «сумасшедшая» догадка оказывается правильной. Вот уже на протяжении 30 лет мы знаем, что клетки печени и надпочечника могут проявлять свои собственные циркадные ритмы, даже если их изъять из организма и поддерживать их жизнедеятельность в специальном сосуде. То же можно сказать о клетках сердца и клетках почек. Гены, отвечающие за работу внутренних часов организма, встречаются повсеместно в тканях организмов мушек-дрозофил и маленьких млекопитающих, таких как мыши и хомяки; предположительно и мы, люди, также представляем собой конгрегации циркадных осцилляторов.

Тем не менее всегда было достаточно оснований полагать, что по крайней мере у млекопитающих все эти периферийные часы управляются из единого центра, который, вероятно, расположен где-то в той части мозга, которая называется гипоталамусом[78]. Еще в начале XX века врачи заметили, что пациенты с опухолями в этой области мозга страдают непостоянством циклов сна и бодрствования. Еще более убедительным свидетельством стала работа Курта Рихтера, биолога из университета Джонса Хопкинса, который потратил почти 60 лет на поиск циркадного задатчика ритма. В серии тяжелых и малоприятных экспериментов[79] Рихтер ослеплял крыс, а затем систематически удалял их надпочечники, гипофизы, щитовидные железы или половые железы; вызывал у них конвульсии, электрошок, алкогольный ступор и продолжительную анестезию. Зашив раны и вернув крыс в их клетки, Рихтер обнаружил, что ни одна из его ужасных операций не повлияла на ритмы активности крыс: их внутренние часы продолжали идти как ни в чем не бывало. Затем он делал вырезы в разных местах их мозга, проверяя, не нарушило ли причиненное им повреждение мозга циркадные ритмы крыс. Нет, ни одно из этих повреждений не внесло каких-либо изменений в поведение крыс: они по-прежнему являлись в привычное для себя время, чтобы получить пищу и питье, и вообще действовали в привычном для себя ритме. Исключением из этого правила был лишь один случай: когда повреждению подвергалась передняя часть гипоталамуса. В этом случае крысы становились аритмичными.

В 1970-е годы другие исследователи указали местоположение внутренних часов еще точнее. Исходя из того, что циклы света и темноты могут вовлекать циркадные ритмы, они впрыскивали в глаза крыс аминокислоты с радиоактивными метками в надежде проследить нейронные пути от сетчатки глаза обратно к предполагаемым внутренним часам. Наряду с ожидаемыми путями к зрительным центрам мозга, они обнаружили также моносинаптический путь – нейронную линию экстренной связи – к сверх-хиазмальным ядрам, которые представляют собой пару крошечных пучков нейронов, расположенную в передней части гипоталамуса. По-видимому, эти часы играли столь важную роль в выживании животного, что в процессе эволюции сформировалась специальная прямая линия связи этих часов с глазами (вместо того чтобы использовать для этой цели уже готовые, составные – и более медленные – синаптические линии связи). Чтобы решить для себя этот вопрос раз и навсегда, исследователи разрушили хирургическим путем эти сверх-хиазмальные ядра и обнаружили, что в результате этой операции исчезли и циркадные ритмы крысы. Итак, ученым наконец удалось найти точное местоположение главных внутренних часов.

Мы по-прежнему имеем лишь весьма приблизительное представление о том, как именно работает этот задатчик ритма[80]. Нам известно, что многие из тысяч нейронов в этих сверх-хиазмальных ядрах являются осцилляторами. Они самопроизвольно генерируют колебания в результате изменения концентраций молекул, называемых протеинами-задатчиками времени. Сами эти молекулярные циркадные ритмы вырабатываются взаимосвязанной совокупностью биохимических петель обратной связи, в которой задействуется перезапись и преобразование ДНК примерно восьми генов внутреннего времени (точное их количество указать невозможно, поскольку соответствующие исследования еще не завершены). Затем тысячам этих осциллирующих «клеток внутреннего времени» удается каким-то образом синхронизировать свою электрическую активность (возможно, это обусловливается химической диффузией[81] нейропередатчика, называемого GABA). Наконец, этот коллективный электрический ритм такого задатчика ритма передается – опять-таки, неизвестным (пока) нам способом – на периферические осцилляторы в печени, почках и прочих органах человеческого тела, заставляя их функционировать с тем же периодом, что и «главные часы».

Таким образом, объяснение, предложенное Чейзлером, заключается в том, что все измеренные им ритмы координируются единым циркадным задатчиком ритма. Надежным показателем этого является температурный цикл тела; именно этим объясняется выравнивание всех остальных ритмов, если рассматривать их в этой естественной системе отсчета. Нам по-прежнему неизвестно, как именно этот задатчик ритма биохимически определяет продолжительность сна или склонность к REM. Надеюсь, что это станет известно в не столь отдаленном будущем.

Пока же нам остается лишь изумляться исполнительскому мастерству этого выдающегося маэстро, таинственным образом дирижирующего десятками ритмов внутри нас. Когда все это, вместе взятое, функционирует безупречно – когда у нас не возникает синдром смены часовых поясов или какая-либо другая разновидность рассинхронизации, – функционирование этого задатчика ритма поражает воображение. Посмотрите, как он управляет нашим организмом в самый напряженный, с биологической точки зрения, момент суток – в момент нашего пробуждения от сна. По команде этого задатчика ритма температура нашего тела уже начала повышаться (примерно за два часа до нашего пробуждения). Надпочечник выбрасывает в организм порцию гидрокортизона, чтобы настроить нас на великие дела, которые ожидают нас днем. Начинает звонить наш внутренний будильник. Включаются в работу ритмы когнитивной функции, памяти, сообразительности. В течение всего оставшегося времени дня система практически всех органов и физиологические функции действуют по определенному, заранее предусмотренному расписанию. Эта молчаливая симфония внутри нас объясняет, почему химиотерапия раковых заболеваний[82] оказывается наиболее эффективной в определенные часы (что является отражением ритмов в синтезе ДНК и других процессов на клеточном уровне) и почему сердечные приступы[83] (и инфаркт) наиболее вероятны около 9 часов утра (в этот момент кровяное давление достигает пика). Роды наиболее вероятны ранним утром, приблизительно с 3 до 4 часов утра; то же самое касается смертей (это, возможно, указывает на то, что человек обычно проживает некоторое количество полных дней[84]).

Эти теоретические построения выглядят очень красиво, за одним исключением: мы все еще не в состоянии объяснить, что происходит, когда у человека наступает самопроизвольная рассинхронизация, как это случилось с Сиффре в пещере Миднайт-Кейв. Когда случается такая рассинхронизация, складывается впечатление, будто время сна перестает подчиняться командам задатчика ритма. Возможно ли такое в действительности или существует еще какая-то тайна, скрывающаяся в данных, полученных исследователями, – недостающий ключ к разгадке циркадного кода? Это была задача, которую я мечтал решить в ходе исследований, связанных с написанием моей докторской диссертации.

Осенью 1982 г. я прибыл в Гарвардский университет в качестве аспиранта, специализирующегося в области прикладной математики. На другом берегу реки там же, в Бостоне, Чак Чейзлер только что приступил к исполнению обязанностей в своей новой должности помощника профессора медицинского факультета Гарвардского университета и больницы Brigham and Women’s Hospital. Я слышал о Чаке еще летом того же года, когда работал вместе с Артом Уинфри. Арт рассказывал мне, что Чак самостоятельно выполнил новаторское исследование циркадных ритмов. Особенное впечатление произвело на Уинфри недавнее открытие Чаком Чейзлером закона продолжительности сна[85] (Уинфри даже посвятил этому открытию хвалебную статью, которая была опубликована в Nature, одном из самых авторитетных научных журналов мира). Помню, как эта статья потрясла меня. Казалось поразительным, что несмотря на причуды психологии и волеизъявлений человека цикл сна и бодрствования мог подчиняться столь простому и универсальному механизму. На первый взгляд, внутренняя рассинхронизация могла казаться делом случая, однако на более глубоком уровне она оказалась тонко структурированной. Возможно, своего открытия ждали и какие-то другие законы. Передо мной открывались захватывающие перспективы.

Я почувствовал, что оказался в нужном месте в нужное время. Наряду с недавним появлением на медицинском факультете Гарвардского университета Чейзлера, профессорско-преподавательский состав пополнили Ричард Кронауер, инженер-механик, который разработал самую совершенную на тот момент математическую модель циркадных ритмов человека; Мартин Мур-Эде, физиолог и крупный специалист по циркадным ритмам у беличьих обезьян (саймири); а также Вуди Гастингс, биолог, проводящий исследования на клеточном уровне и потратившый 35 лет на выявление молекулярных механизмов циркадных часов. Все эти люди хорошо знали друг друга и преподавали на медицинском факультете; все они были научными руководителями многочисленных аспирантов и младших научных сотрудников, каждый из которых жаждал получить интересную тему для исследований.

Я познакомился с Чейзлером буквально в первый же день своей работы в Гарвардском университете. Высокий мужчина чуть старше тридцати лет, с усами в стиле Кларка Гейбла, он был похож на кинозвезду (во всяком случае, так считала моя мать, когда год спустя увидела телевизионное интервью с ним). А после того как Чейзлер блестяще защитил диссертацию, он был буквально обречен на то, чтобы стать яркой звездой в научном мире. Руководство больницы Brigham and Women’s Hospital отвело для его лабораторий целый этаж в здании больницы Old Boston Lying-in Hospital. Когда Чейзлер решил устроить для меня экскурсию по своим владениям, нас приветствовал грохот отбойных молотков: рабочие-строители создавали специальное помещение для изоляции от времени в соответствии с конструктивными решениями, использовавшимися ранее Вейцманом в Монтефьоре.

Лишь примерно через год Чейзлер смог приступить к новым исследованиям. Между тем в уже имеющихся данных заключалось множество трудноразрешимых загадок. В частности, Уинфри не давала покоя фундаментальная асимметрия[86]: продолжительность сна была предсказуема, тогда как продолжительность бодрствования – нет. Даже в свете самых последних достижений науки никто не знал, как предсказать продолжительность бодрствования рассинхронизированного человека. А это означало, что половина цикла сна и бодрствования по-прежнему остается для нас загадкой.

Чтобы приступить к поиску закона, определяющего продолжительность бодрствования, я собрал все доступные мне данные. Чейзлер щедро поделился со мной своими старыми записями из Монтефьоре, а также некоторыми данными, полученными им от французской группы исследователей. Уинфри передал мне несколько совокупностей данных, которые встретились ему в научной литературе. Со своей стороны, я пытался найти в научной литературе примеры внутренней рассинхронизации. Сбор всей этой информации занял у меня около года. В то время в нашем распоряжении еще не было устройств для оцифровки информации и фотокопировальной техники с возможностью увеличения изображений, поэтому процесс сбора информации был весьма утомительным. Если, например, я находил в каком-либо журнале статью, содержащую растровый график, мне приходилось просить профессионального фотографа снять копию этого графика и настолько увеличить изображение, чтобы я мог с помощью линейки и лупы точно измерить продолжительности всех эпизодов сна и бодрствования.

Постепенно мне удалось накопить огромную базу данных[87] рассинхронизированных циклов сна и бодрствования и приступить к поиску каких-то закономерностей. Я пытался построить функцию зависимости продолжительности бодрствования от какой-либо предшествующей переменной, которая казалась мне правдоподобной, например от продолжительности предыдущего эпизода сна или от фазы цикла температуры тела в момент пробуждения. Увы, построение этих графиков ничего не дало мне. Затем я пытался выявить связи между продолжительность бодрствования и двумя предшествующими переменными. Опять ничего. Если закон, определяющий продолжительность бодрствования, действительно существует, его не удалось найти до сих пор.

В течение всего этого бесплодного поиска я продолжал встречаться со своим новым консультантом, Ричардом Кронауером, седовласым ученым, отличавшимся непоколебимой уверенностью в собственных силах и оптимизмом. У него всегда находилось время для меня; к тому же он любил размышлять над данными – это было увлекательным занятием для нас обоих. Кроме того, у него была любимая модель функционирования циркадных ритмов человека, и тут между нами возникало противоречие, особенно когда я раздражал его напоминаниями о несоответствиях между его моделью и собранными мною данными. Он повышал голос. Мое лицо покрывалось красными пятнами. Оба мы были изрядными упрямцами.

Одна из любимых идей Кронауера заключалась в том, что в циркадном цикле есть два особых периода, когда люди не могут уснуть. Он называл их запретными зонами[88]. Он брал в руки свою линейку, рисовал на растровом графике несколько параллельных линий и говорил мне: «Смотри сюда. Человек никогда не засыпает в этом или в том диапазоне». Я скептически улыбался: нет ничего сложного, чтобы обнаружить такие закономерности, если вы уже поверили в их существование. Кронауер знал о человеческой склонности к самообману, но он продолжал настаивать, что эти зоны находятся в определенных, постоянных местах – одних и тех же для каждого человека.

Нужды в перепалках не было: существующие между нами разногласия можно было уладить с помощью моей базы данных. Если запретные зоны действительно существуют, они должны проявляться в виде двух впадин в распределении моментов времени, когда человек укладывается спать, выбранных в течение внутренней рассинхронизации. Напротив, если люди с одинаковой вероятностью укладываются спать в любой момент циркадного цикла температуры (то есть не отдают предпочтение какому-то определенному времени), то такое распределение должно быть плосковершинным.

Кронауер был прав. Когда я построил график зависимости относительной частоты времени засыпания от циркадной фазы, то заметил две ярко выраженные впадины, причем ширина каждой из них составляла 2–3 часа, а их центры располагались примерно на 5 часов позже и на 8 часов ранее момента наступления температурного минимума.

Вероятность того, что человек уснет в одном из этих двух промежутков времени («запретных зон», по определению Кронауера), была очень мала (хотя и не исключалась полностью). Соответствующие моменты, выраженные во времени суток, можно было оценить, применив упоминавшуюся ранее формулу преобразования: температурный минимум наступает приблизительно за 1–2 часа до привычного времени пробуждения. Таким образом, для того, кто привык спать с 23:00 до 7:00, эти данные прогнозировали «утреннюю запретную зону» примерно с 10 до 11 утра, а «вечернюю запретную зону» – примерно с 21:00 до 22:00, то есть за один-два часа до укладывания в постель.

В этом распределении также присутствовало два пика, представляющих самые «сонные» моменты в цикле, – в том смысле, что это были моменты засыпания, выбираемые участниками эксперимента чаще всего (разумеется, участники эксперимента не задумывались над этим, поскольку пребывали в изоляции от времени). Центр широкого пика находился в районе температурной впадины, совпадающей с «зомби-зоной», указывая на то, что это окно минимальной алертности является также временем максимальной сонливости. Второй пик наступал примерно через 9–10 часов после температурного минимума, соответствуя времени сиесты[89], то есть промежутку с 14:00 по 15:00 в окружающем мире. Интересный вывод заключается в том, что сонливость в послеобеденное время у нас появляется не потому, что мы плотно пообедали, или потому, что на улице жарко, а потому, что это продиктовано нашим циркадным задатчиком времени.

Когда мы с Кронауером видели, что моменты послеобеденной сонливости совпадают с пиком сонливости в данных о рассинхронизации, мы понимали, что находимся на пороге важного открытия. Для нас не было очевидным, что данные, полученные в ходе эксперимента с изоляцией от времени, обязательно свидетельствуют о существовании какой-то закономерности в реальном мире. В конце концов, условия в том и другом случае совершенно разные. В ходе вовлечения ритмы сна и температуры тела синхронизированы по фазе между собой и со временем суток, тогда как при внутренней рассинхронизации ритмы сна и температуры тела не совпадают между собой, а их периодичность превышает 24 часа. Тем не менее наша формула преобразования позволяет получить правильный прогноз фазы сонливости, что, возможно, позволяет нам экстраполировать остальную часть ритма сонливости. Это означало, что мы можем найти в реальном мире соответствия для обеих «запретных зон».

Спустя несколько недель на совещании, посвященном исследованиям сна, я услышал лекцию о распределении частоты автокатастроф, случавшихся с одним грузовым автомобилем[90], по времени суток. Это было практически такое же распределение, какое мы исследовали вместе с Кронауером! (Под автокатастрофой, случившейся с одним грузовым автомобилем, подразумевается, что этот грузовик был смят в лепешку, перевернулся, разбился о береговой устой моста или свалился в кювет исключительно по вине водителя этого грузовика. То есть, он не столкнулся с каким-то другим грузовиком. Возможно, его водитель просто уснул за рулем.) Статистика свидетельствует о том, что такие автокатастрофы, случающиеся с одним грузовым автомобилем, происходят примерно в 5 часов утра гораздо чаще, чем в дневное время. Второе самое вероятное время автокатастроф, случавшихся с одним грузовым автомобилем, – это время между 13:00 и 16:00, то есть во время фазы повышенной сонливости. Реже всего такие автокатастрофы случаются в 10:00 и в 21:00, что соответствует периодам, прогнозируемым для утренней и вечерней «запретных зон». Объяснение этого факта представлялось вполне очевидным: водители редко засыпают за рулем в эти промежутки времени. Подобно зомби-зоне и сиесте, «запретные зоны» должны быть встроенны в наш циркадный цикл.

Примерно в то же время Мэри Карскадон, исследователь сна из больницы Bradley Hospital и медицинского факультета университета Brown University, занималась изучением мозговых волн участников эксперимента по «постоянной программе» (протокол, предназначенный для обнаружения циркадной составляющей температурного цикла путем как можно большего выравнивания поведения участника эксперимента и его окружения). Участники эксперимента на протяжении 40 часов пребывают в горизонтальном положении, лежа на кровати, в условиях постоянного искусственного освещения и каждый час получают питание (питательный напиток). Хотя предполагается, что все это время они бодрствуют, на самом деле это не совсем так: время от времени они впадают в «микросон». Их мозг засыпает на несколько секунд, а картина, которую исследователи видят на электроэнцефалограмме, внезапно меняется.

Мэри Карскадон обнаружила, что эти эпизоды непреднамеренного сна вероятнее всего происходят в определенные моменты суток. Когда она представила в графическом виде распределение «микроснов»[91] в течение последних 22 часов эксперимента (к этому времени участники эксперимента были лишены сна), она обнаружила пики в зомби-зоне и фазе сонливости. А также впадины в двух «запретных зонах».

Таким образом, все сходилось. Одно и то же распределение было выявлено в «микроснах», в автокатастрофах, случавшихся с одним грузовым автомобилем, и в моментах засыпания, выбранных при внутренней рассинхронизации. Для нас было очевидным, что все эти ситуации отражали циркадный ритм сна и бодрствования, внутренне присущий мозгу человека.

С учетом того, что вечерняя запретная зона ситуационно близка к привычному времени засыпания – и наступает за один-два часа до него, – мы с Кронауером заинтересовались, может ли она быть замешана в каких-либо формах бессонницы. Наши данные, связанные с изоляцией от времени, лишь показывали, что рассинхронизированные участники эксперимента редко предпочитают укладываться в постель примерно за 8 часов до своего температурного минимума. Оставалось получить ответ на следующий вопрос: если люди намеренно пытались уснуть именно в это время, казалось ли им это трудным?

Ответ на этот вопрос уже можно было найти в научной литературе. В середине 1970-х годов несколько исследователей заставили участников своих экспериментов жить по существенно сокращенным графикам сна и бодрствования, пытаясь выяснить их способность засыпать несколько раз в течение суток. Например, Мэри Карскадон и Уильям Демент заставили студентов-добровольцев из Стэнфордского колледжа жить по графику «90-минутных суток»[92], который представлял собою весьма изнурительный режим, предполагающий 30 минут сна, за которыми следовали 60 минут принудительного бодрствования, после чего участник эксперимента должен был снова лечь в постель на 30 минут и т. д., 16 раз в сутки – и так на протяжении пяти календарных дней. Иногда участникам эксперимента удавалось сполна воспользоваться своим драгоценным 30-минутным отдыхом – они засыпали, как только их голова касалась подушки. Иногда им вообще не удавалось уснуть, несмотря на крайнюю усталость. Их способность уснуть менялась ритмично каждые сутки и прочно коррелировала с фазой температурного цикла их тела. Наихудшее время наступало примерно за 8 часов до наступления температурного минимума (для этих студентов колледжа это было приблизительно в 22:30). Как ни странно, участникам эксперимента тяжелее всего было уснуть непосредственно перед наступлением привычного для них времени укладывания в постель. Этот факт озадачил Карскадон и Демента, однако теперь для этого существовало объяснение: они наблюдали сильное влияние вечерней запретной зоны.

Кронауер нашел очередное свидетельство того, что запретная зона может быть причиной бессонницы в начале сна[93]. В эксперименте, проведенном в Корнельском институте хронобиологии, Джефф Фуксон вместе со своими коллегами предложил здоровому 21-летнему молодому человеку жить по жесткому расписанию 23,5-часовых суток. Другими словами, в условиях полной изоляции он времени этот молодой человек должен был подчиняться строгому расписанию: каждый день он должен был на полчаса раньше укладываться спать и просыпаться. В течение этого времени ему не разрешалось вздремнуть ни на минуту – только единый, консолидированный блок отдыха в постели на 7–7,5 часов в каждом цикле. «Подопытному» зачастую не удавалось как следует воспользоваться предоставленным ему временем для сна: он не мог уснуть сразу же, ворочаясь в постели с боку на бок в течение примерно трех часов. В процессе эксперимента дефицит сна у «подопытного» нарастал, хотя во время, предоставленное ему для сна, он страдал от бессонницы. Молодой человек резко протестовал против расписания, по которому его заставляли жить. Что-то, по его мнению, было не так, хотя он не понимал, что именно было «не так». Более того, он угрожал самовольно прекратить эксперимент. И все это из-за того, что его сутки были укорочены на какие-то жалкие полчаса!

Предложенное Кронауером объяснение заключалось в том, что это укороченное расписание нарушило соотношения между внутренними фазами «подопытного», привязав его вечернюю запретную зону ко времени засыпания, задаваемому расписанием, что создало проблемы с засыпанием. Чтобы понять, как такие последствия могли быть вызваны искусственным сокращением суток, представьте себе циркадный задатчик ритма в виде упирающегося пса, которого тащит за собой на поводке по дорожке стадиона хозяин, совершающий утреннюю пробежку. (Подобно медлительному псу, задатчик ритма этого «подопытного» стремился совершать свой полный циркадный цикл каждые 24,7 часа, тогда как окружающий мир нетерпеливо тащил его за собой, пытаясь завершать каждый очередной круг за 24 часа.) Теперь, если владелец собаки станет двигаться еще быстрее, ускорит свое движение и собака, но растянет поводок и еще больше отстанет от своего хозяина. Для задатчика ритма это означает, что, если продолжительность цикла расписания сокращается с 24 часов до 23,5 часа, все события, привязанные к задатчику ритма (в том числе запретные зоны), тоже отстанут и сдвинутся на более позднее время относительно этого расписания. Следовательно, запретная зона, которая привычно опережала на несколько часов момент укладывания в постель (и была прочно привязана к нему), теперь будет находиться в непосредственной близости от этого момента (или даже совпадать с ним) и окажется весьма ненадежно привязанной к нему. Такое, более чем неподходящее, состояние будет сохраняться до тех пор, пока что-нибудь не разорвет этот «поводок» и не разрушит это вовлечение. Финальная часть этого эксперимента подтвердила правильность именно такой интерпретации. Когда этот принудительно навязанный цикл был милосердно сокращен до 23 часов, температурный ритм «подопытного» порвал связывавшие его путы: он оказался не в состоянии синхоронизироваться со столь укороченным расписанием. В результате привязка запретной зоны «подопытного» к моменту его засыпания оказалась разрушенной, его бессонница прошла, а его настроение заметно улучшилось.

В реальном мире встречаются люди, страдающие такой же формой бессонницы, как у нашего «подопытного». Причина такой формы бессонницы всегда одна и та же. Собственный циркадный период у нашего «подопытного» составлял 24,7 часа, и жить по 23,5-часовому расписанию, навязанному ему, оказалось весьма непростым делом; следуя той же логике, людям с собственным периодом, близким к 25,2 часа, но вынужденным жить в 24-часовом мире, вполне возможно, придется засыпать в запретной зоне, что окажется для них нелегким испытанием. Это может служить объяснением так называемого «синдрома задержки фазы сна»[94], который, по некоторым оценкам, причиняет страдания сотням тысяч людей во всем мире. Люди, страдающие синдромом задержки фазы сна, могут спать хорошо, но в неподходящее для этого время суток, например с 4 часов утра до полудня. Таким людям практически невозможно выполнять работу, которая требует высокой степени сосредоточенности в утренние часы.

Когда вечерняя запретная зона оказывается настолько близкой к привычному времени укладывания в постель, даже людям, не страдающим разладами сна, приходится подчас пытаться уснуть в моменты, когда сделать это тяжелее всего. Если вам когда-либо приходилось укладываться спать пораньше (например, чтобы утром успеть на самолет), то вы, наверное, замечали, как тяжело бывает уснуть в таком случае. Проблема не только в том, что вы несколько взвинчены предстоящей поездкой; дело в том, что вы пытаетесь уснуть в самое неподходящее время в своем циркадном цикле. Та же самая причина объясняет, почему люди так часто страдают бессонницей в ночь с воскресенья на понедельник. Вставая поздно и поздно засыпая в выходные дни, вы невольно смещаете свой циркадный задатчик ритма и свою вечернюю запретную зону на более позднее время и, возможно, нарушаете привычное для себя время засыпания.

Многие люди страдают другими формами рассинхронизации с 24-часовыми сутками или неспособностью к синхронизации как таковой. В частности, на тех, кому приходится работать посменно, постоянно воздействуют взаимно противоречивые «послания». Когда им приходится работать в ночную смену, циркадный задатчик ритма рекомендует им спать днем, но дневной свет и уличный шум (а также их дети) рекомендуют им спать ночью. Вообще говоря, посменная работа порождает серьезные проблемы для всех промышленно развитых стран – проблемы, которые со временем будут лишь усугубляться. Экономика заставляет нас жить по 24-часовому расписанию[95], когда заводы, всевозможные компании и финансовые рынки работают круглосуточно. Примерно четверть трудовых ресурсов США уже живет в соответствии с этим противоестественным расписанием. Несмотря на то что экономические преимущества такого круглосуточного графика очевидны, трудно оценить издержки, которые приходится нести при этом как самим работникам, так и обществу в целом. К числу этих издержек относятся поломанная семейная и социальная жизнь, заболевания желудочно-кишечного тракта, разлады сна, а также цена, которую приходится платить за ошибки (иногда с катастрофическими последствиями), обусловленные необходимостью работать в зомби-зоне.

Кандидатом на самое худшее расписание всех времен и народов является расписание, используемое на ядерных подводных лодках ВМС США[96]. Согласно уставу ВМС, морякам отводится 6 часов на исполнение их служебных обязанностей и 12 часов – на отдых; иными словами, от них требуют жить по расписанию 18-часовых суток. Задатчик ритма не может приспособиться к столь короткому циклу, в результате чего моряки живут в постоянном состоянии рассинхронизации. Командование ВМС оправдывается тем, что продолжительность 8-часовой смены слишком велика, чтобы на ее протяжении человек мог все время поддерживать высокую бдительность; кроме того, на подводной лодке предусмотрено место для хранения лишь трех комплектов повседневной формы для каждого моряка – отсюда следует 18-часовое (3 раза по 6 часов) расписание. Какими оказываются медицинские последствия жизни во 18-часовому расписанию, неизвестно до сих пор, но некоторым указанием на такую проблему является колоссальная текучесть рядового и сержантского состава на экипажах подводных лодок США (от 33 до 50 % на одно плавание), причем лишь небольшое число моряков соглашается участвовать в более чем 2–3 морских походах длительностью 90 дней. Между тем офицеры обычно живут по 24-часовому расписанию и служат на подводном флоте гораздо дольше – нередко по нескольку лет, большую часть из которых они проводят в морских походах.

Дневной свет является самым важным сигналом, который поддерживает организм человека в синхронизме[97]. Его влияние на задатчик ритма оказывается разным на разных стадиях циркадного цикла – очень тонкий эволюционный механизм, который гарантирует правильный ход внутренних часов человека. В частности, утром солнечный свет ускоряет их ход (как бы говоря нашему организму: «Эй, ты уже прозевал наступление рассвета, поэтому завтра я разбужу тебя раньше»). Солнечный свет в середине дня слабо влияет на ход наших внутренних часов, тогда как в вечернее время он замедляет его. Определенная коррекция бывает необходима каждый день, поскольку циркадный задатчик ритма человека склонен к несколько замедленной работе, а его естественный период оказывается несколько более продолжительным, чем 24 часа. Ученые все еще пытаются выяснить, как именно дневной свет влияет на работу задатчика ритма человека, но в целом нам известно, что свет, попадая на сетчатку глаза, вызывает определенные химические изменения в фоторецепторах сетчатки, которые затем отправляют электрический сигнал по нейронным путям к сверх-хиазмальным ядрам в гипоталамусе, то есть туда, где находится задатчик ритма. Как ни странно, эти фоторецепторы до сих пор не выявлены. Это вовсе не палочки и колбочки[98], которые позволяют нам видеть окружающий мир; слепая мышь с генетическим заболеванием, которое разрушает ее палочки и колбочки, все же сохраняет способность к вовлечению в цикл света и темноты.

Еще одним свидетельством эффекта синхронизации, вызываемого дневным светом, является то обстоятельство, что 80 % слепых людей страдают хроническими расстройствами сна[99]. Будучи неспособны каждые сутки подстраивать соответствующим образом ход своих внутренних часов, они испытывают проблемы со сном и с поддержанием бодрствования согласно расписанию, по которому живет общество в целом. Их жалобы имеют периодический характер: каждый месяц, на протяжении двух или трех недель, когда нарушается их синхронизация с окружающим миром, днем у них случаются неконтролируемые приступы сонливости, тогда как их ночной сон носит рваный, обрывочный характер. Но постепенно их биологические часы начинают отставать настолько, что они вновь возвращаются к гармонии с окружающим миром. Неделю-другую они чувствуют себя прекрасно, после чего их накрывает очередная волна рассинхронизации.

Интересно, что остальным 20 % слепых людей удается достичь синхронизма с циклом света и темноты. Вероятное объяснение такого феномена заключается в том, что циркадные фоторецепторы в сетчатке их глаз остаются неповрежденными, даже если повреждены ее палочки и колбочки. Это дает возможность свету выполнять свое корректирующее воздействие на ход их внутренних часов, попадая на их глаза, а затем проходя по нейронным путям к задатчику ритма. Другими словами, хотя эти люди неспособны видеть окружающий их мир, они способны воспринимать свет в невизуальном, циркадном смысле. Подтверждением этой неожиданной идеи могут служить результаты недавних исследований мелатонина – гормона мозга, вырабатываемого шишковидным телом (эпифизом мозга). У зрячих людей секреция мелатонина колеблется в соответствии с суточным циклом, причем пик секреции наступает в ночные часы, когда мы спим. Этот циркадный ритм задается «главными часами», подобно температуре тела, алертности и многим другим физиологическим функциям. В этом смысле уровни мелатонина служат еще одним «представителем» задатчика ритма. Кроме того, секреция мелатонина реагирует на свет: она резко снижается, когда нам в глаза попадает яркий свет. (В данном случае «яркий» означает свет, интенсивность которого типична для дневного времени, то есть гораздо ярче, чем типичный свет внутри помещения, но ничего необычного во всех остальных отношениях.) В 1995 г. Чейзлер вместе со своими коллегами исследовали реакцию подавления мелатонина у совершенно слепых людей, подвергая их воздействию яркого света в момент, когда уровни мелатонина в их крови были высокими. У большинства участников эксперимента эффект подавления, как и следовало ожидать, не наблюдался вообще: свет не добирался до их внутренних часов. Но среди той особой субпопуляции слепых людей, которым как-то удавалось синхронизироваться с 24-часовыми сутками, свет подавлял секрецию мелатонина точно так же, как он делает это у обычных, зрячих людей. Вывод заключается в том, что от глаз к мозгу есть два пути: один для зрения, осознаваемого человеком, а другой для циркадного вовлечения. Эта гипотеза соответствует известной анатомии мозга млекопитающих: нейронная линия связи с задатчиком ритма отделена от зрительных путей мозга.

Точно так же как особенности, свойственные слепым людям, помогают нам понять природу циркадного фоторецептора, люди, подверженные другому синдрому, проливают свет на внутреннее устройство часового механизма, встроенного в человека. Недавно ученые, исследуя пациентов с редким заболеванием под названием «наследственный синдром смещенной фазы сна»[100], выявленным в 1999 г., обнаружили первый ген, связанный с циркадным ритмом человека. Членов семьи, страдающих этим заболеванием, можно отнести к типу «супержаворонков»: они засыпают примерно в 19:30 и самостоятельно просыпаются в 4:30 утра. Лабораторные исследования показали, что циркадные часы у этих людей «торопятся», причем их период примерно на один час короче обычного, что указывает на некую генетическую мутацию функции часов. Группа исследователей из университета штата Юта, возглавляемая Луисом Птасеком, смогла выявить ген, подверженный этой мутации. Этим геном оказался hPer2, белковый продукт которого, как полагают, играет существенную роль в молекулярных петлях обратной связи, которые генерируют циркадные осцилляции в отдельно взятых клетках.

У некоторых других семей, страдающих наследственным синдромом смещенной фазы сна, мутации указанного гена не обнаружены. Это означает, что, вероятно, существуют и какие-то другие гены-мутанты. Когда будет обнаружено достаточное число таких мутантов, мы можем рассчитывать на то, что ученые добьются быстрого прогресса в определении молекулярной и генетической основы циркадных ритмов человека. А это с неизбежностью приведет к разработке более эффективных способов лечения нарушений суточного ритма организма, вызванных резкой переменой часовых поясов, последствий, вызванных посменной работой, а также разладов сна и психических заболеваний, связанных с нарушениями суточного синхронизма.

Часть II. Открытие синхронизма

Глава 4. Благожелательная Вселенная

Наука о синхронизме прошла долгий путь с тех далеких от нас времен, когда Александр Македонский по прозвищу Александр Великий впервые привел письменное свидетельство существования биологического ритма[101]. Примерно в IV столетии до н. э., во время своего похода в Индию, он заметил, что листья тамариндового дерева (индийский финик) всегда раскрываются днем и закрываются на ночь. Понадобилось еще два тысячелетия, прежде чем человечество открыло для себя еще более таинственный вид синхронизма – синхронизацию между неживыми объектами.

Некоторые из эпохальных открытий в истории науки были сделаны благодаря чистой случайности. Вспомните хотя бы об Александре Флеминге, который, как нам всем известно, открыл пенициллин, когда плесенный грибок, случайно занесенный воздушным потоком, нарушил чистоту эксперимента, проводившегося Флемингом, и погубил изучавшуюся им бактерию. Возьмем другой пример: Арно Пензиас и Роберт Уилсон, соскребая голубиный помет со своей гигантской радиоантенны на штаб-квартире компании Bell Laboratories, пытались избавиться от раздражающего фонового шипения, которое, как казалось, исходило из космоса, распространяясь во всех направлениях, пока не поняли, что слышат крик рождения Вселенной – эхо большого взрыва, который произошел 14 миллиардов лет тому назад.

Хотя роль интуитивной прозорливости, вообще говоря, хорошо известна всем нам, далеко не все понимают, как сильно интуитивная прозорливость отличается от удачного стечения обстоятельств[102]. Интуитивная прозорливость – это не просто способность совершать замечательные открытия в результате удачного стечения обстоятельств, как это обычно объясняется в толковых словарях. Благодаря интуитивной прозорливости обычно совершают открытия люди с определенным образом мышления – предельно сосредоточенные и собранные, потому что находятся в постоянном поиске, что-то ищут. Просто случилось так, что они нашли не то, что намеревались найти, а что-то другое – может быть, даже более важное.

Именно так был открыт синхронизм неживых объектов. В феврале 1665 г. голландский физик Кристиан Гюйгенс оказался на несколько дней прикован к постели, страдая тем, что он впоследствии описал в письме к своему другу сэру Роберту Морэю как «легкое недомогание»[103]. Он не успел своевременно ответить на полученную им корреспонденцию. В частности, он не успел ответить на три письма Роберта Морэя, и сейчас он сообщил ему новость о странном явлении, которое он наблюдал во время вынужденного заточения у себя в спальне – «необычное явление, которое удивит тебя».

В его спальне висели две пары маятниковых часов – два самых точных маятниковых механизма из существовавших в то время. Гюйгенс изобрел маятниковые часы[104] десятилетием раньше, и сейчас с их помощью он рассчитывал решить величайшую технологическую проблему своей эпохи: задачу определения географической долготы на море. Как превосходно показано в широко известной книге Longitude («Долгота»)[105] (ее автор – Dava Sobel), решение проблемы определения географической долготы имело огромное значение в эпоху Великих географических открытий. Бурно развивалось мореплавание – странам нужно было активизировать торговлю и иметь преимущество в войнах за территории. В отличие от географической широты, которая измеряет угловое расстояние от экватора и которая достаточно легко определяется на основании продолжительности дня или высоты солнца над горизонтом, географическая долгота, то есть угловое положение корабля в восточном или западном полушарии, определяется произвольно, без какой-либо эквивалентной величины в окружающем пространстве. Моряки не могли использовать для определения своей географической долготы звезды, солнце или какие-либо иные физические ориентиры, даже несмотря на наличие у них самых точных географических карт и компасов. Не имея возможности определить свое точное местонахождение в океане, даже самые опытные капитаны сбивались с пути и отклонялись на сотни миль от правильного курса или напарывались на прибрежные скалы. Те же, кто держался хорошо знакомых маршрутов, становились легкой добычей пиратов, карауливших их на оживленных морских путях. Правительства Португалии, Англии, Испании и Голландии обещали щедрые вознаграждения тем, что предложит приемлемый способ решения данной проблемы. Несмотря на то что поисками решения занимались многие выдающиеся умы того времени – Галилей, Джованни Доменико Кассини, Исаак Ньютон, Эдмонд Хэлли, – она оставалась нерешенной на протяжении более чем четырех столетий.

Теперь решением этой проблемы занимался Гюйгенс, выбрав направление, первоначально предложенное фламандским ученым-астрономом Геммой Фризиусом, который в 1530 г. пришел к выводу, что долготу можно определить, по крайней мере в принципе, путем точного хронометрирования. Допустим, на корабле есть часы, которые были правильно выставлены при отправлении корабля из исходного порта, и с этого момента идут очень точно. Поддерживая таким образом это «исходное время», штурман может определить географическую долготу, зафиксировав время на корабельных часах точно в момент наступления местного полдня, когда солнце находится в наивысшей точке над горизонтом. Поскольку Земля совершает полный оборот (на 360°) за 24 часа, каждый час расхождения между местным временем и «исходным временем» соответствует 15 градусам долготы. С точки зрения расстояния, эти 15 градусов соответствуют тысяче миль на экваторе. Таким образом, чтобы эта стратегия оказалась полезной с практической точки зрения, точность хода корабельных часов должна быть не хуже двух-трех секунд за сутки. Вопрос заключался лишь в том, чтобы сконструировать такие механические часы, на точность хода которых не оказывала бы влияния корабельная качка (не говоря уж о сильных штормах), а также значительные перепады влажности, давления и температуры, которые могут вызвать коррозию шестеренок в часах, привести к расширению пружин или загустеванию смазки, что, в свою очередь, может ускорить или замедлить ход часов (или вообще привести к их остановке).

Все часовые механизмы, которые изготавливались в XVI и XVII веках, страдали ужасающей неточностью. Лучшие из них отставали или спешили на пятнадцать минут за сутки – и это в идеальных условиях! Однако новый маятниковый часовой механизм Гюйгенса работал в сто раз точнее. Между тем решение задачи долготы находилось буквально на расстоянии вытянутой руки. В ходе морских испытаний, проводившихся в 1664 г. в сотрудничестве с Королевским обществом Лондона, два маятниковых часовых механизма, сконструированных Гюйгенсом специально для использования на кораблях, достигли островов Кабо-Верде (у западного побережья Африки) и на протяжении всего этого пути способствовали успешному измерению долготы. Два часовых механизма использовались на случай возникновения непредвиденных обстоятельств, например, если какой-либо из них остановится или ему срочно понадобится чистка (тогда второй часовой механизм будет продолжать отсчитывать точное время). К сожалению, эти часовые механизмы оказались неустойчивы к внешним воздействиям: они хорошо работали при благоприятных погодных условиях, однако во время штормов были перебои.

Во время этих морских испытаний Гюйгенс оставался в Гааге и вел переписку с Королевским обществом Лондона через сэра Роберта Морэя, чтобы постоянно быть в курсе результатов испытаний и параллельно с этим информировать коллег о своих текущих попытках усовершенствовать конструкцию маятниковых часов. Примерно в это время, в один из дней конца февраля 1665 г., свое веское слово сказала интуитивная прозорливость Гюйгенса. Вот что писал Гюйгенс в письме своему отцу.

Будучи вынужден на протяжении нескольких дней оставаться у себя дома и наблюдая все это время за работой двух моих новых конструкций маятниковых часов, я заметил поразительный эффект, о котором мне еще не приходилось слышать. Этот эффект заключается в том, что маятники этих двух часовых механизмов, висящих на стене неподалеку друг от друга (на расстоянии одного или двух футов), шагают строго в ногу друг с другом. Понаблюдав какое-то время за столь удивительным явлением, я пришел в конце концов к выводу, что между этими двумя часовыми механизмами возникает что-то наподобие взаимной симпатии: принудительно рассинхронизировав качания этих маятников, я обнаружил, что примерно через полчаса они возобновляют синхронизм своих качаний и продолжают пребывать в этом состоянии синхронизма до тех пор, пока я предоставляю им такую возможность. Затем я решил разделить их, повесив один из них в одном конце комнаты, а другой – в другом, на расстоянии около пятнадцати футов, и заметил, что за сутки между ними возникла разница во времени, составляющая пять секунд. Следовательно, причиной прежнего согласия между ними должно, по моему мнению, быть неощутимое для человека возбуждение воздуха, вызываемое колебательными движениями маятников. Эти часовые механизмы всегда заключены в деревянные корпуса, причем общий вес каждого из них не превышает 100 фунтов. Пребывая в состоянии согласованного, синхронного движения, эти маятники раскачиваются не параллельно друг другу, а навстречу друг другу[106].

В письме к своему другу Р. Ф. де Слузе от 24 февраля 1665 г. Гюйгенс описывал этот эффект «взаимной симпатии» как «загадочный»[107]. А 27 февраля он отправил письмо сэру Роберту Морэю с просьбой сообщить об этих наблюдениях членам Королевского общества.

В течение следующей недели Гюйгенс провел серию экспериментов, чтобы выявить причины этой «взаимной симпатии». Он повесил оба часовых механизма на крюках, закрепленных на одном и том же деревянном стержне, и обнаружил, что когда они повернуты друг по отношению к другу на 90° или когда расстояние между ними превышает 6 футов, их «взаимная симпатия» исчезает. Но когда он помещал между часовыми механизмами большую доску, чтобы заблокировать прохождение воздуха между ними, «взаимная симпатия» сохранялась. Таким образом, его первая догадка оказалась неправильной: часы взаимодействовали друг с другом вовсе не при помощи воздуха.

Затем Гюйгенс предположил, что его часовые механизмы могут взаимодействовать посредством очень слабых вибраций. Чтобы исследовать эту возможность, он попытался подвесить часовые механизмы на не связанных между собой стержнях, которые он уложил на два хлипких, расшатанных кресла, поставленных спинка к спинке. Часы вновь проявили взаимную симпатию: их маятники расходились в противоположные стороны и сходились, расходились и сходились, подобно паре аплодирующих ладошек. Когда один часовой механизм произносил тик, другой отвечал так. Затем Гюйгенс нарушил их взаимную симпатию, чтобы увидеть, что из этого получится. Результат поверг его в изумление: кресла начали подрагивать. Когда маятники часов пребывали в состоянии взаимной симпатии, кресла были неподвижны, но теперь они подрагивали и постукивали по полу. Такое их поведение продолжалось в течение получаса, до момента полного восстановления взаимной симпатии маятников, после чего кресла стали неподвижны.

У Гюйгенса появился свой ответ на столь необычное поведение кресел. Несмотря на то что каждый из его часовых механизмов был заключен в тяжелый корпус весом от 80 до 90 фунтов, качания маятника оказывали слабое воздействие на корпус, которые, в свою очередь, оказывал воздействие на стержни, которые, в свою очередь, оказывали воздействие на кресла[108]. Но когда часовые механизмы переходили в состояние взаимной симпатии – то есть, когда их маятники колебались во взаимно противоположных направлениях, – равные и взаимно противоположные силы, которыми они воздействовали на стержни, взаимно компенсировали друг друга, в результате чего кресла оставались неподвижны. И наоборот, когда он нарушал состояние взаимной симпатии, эти противоположные силы уже не могли все время взаимно уравновешивать друг друга и понемногу двигали стержни туда и сюда, из стороны в сторону, что вызывало подрагивание кресел. Вот что сказал об этом сам Гюйгенс: «При достижении синхронизма кресла перестают двигаться, что не позволяет часам выйти из состояния взаимной симпатии, поскольку, как только они попытаются сделать это, слабое движение кресел возвратит их в предыдущее состояние». Говоря более современным языком, Гюйгенс впервые в мире сформулировал концепцию отрицательной обратной связи.

Члены Королевского общества были обескуражены таким объяснением – и вовсе не потому, что сомневались в его правильности. Напротив, они опасались, что это объяснение правильно! В протоколе собрания Королевского общества от 8 марта 1665 г. говорится, что «некоторые из присутствовавших усомнились в точности хода этих часов во время морского плавания, если даже столь слабые, почти неощутимые воздействия могли повлиять на их ход». Иными словами, сама логика рассуждений Гюйгенса указывала на чрезвычайную чувствительность маятникового механизма. Однако именно высокая чувствительность такого механизма не позволяла использовать его для определения долготы на кораблях.

Свойство взаимной симпатии маятниковых механизмов, которое еще пару недель назад казалось Гюйгенсу столь восхитительным, теперь выглядело как досадная помеха на пути к решению задачи определения географической долготы на кораблях. Впрочем, ему так и не удалось решить эту задачу. Лишь в середине XVIII века Джон Гаррисон, англичанин, не имевший формального образования, сконструировал ряд моделей морских часов, детали которых были изготовлены из разных металлов, не подверженных коррозии и подобранных таким образом, чтобы взаимно компенсировать расширение и сжатие друг друга, вызванное температурными колебаниями. Четвертая модель его хронометра – шедевр, который он назвал H-4 – содержала детали, изготовленные из алмаза и рубина, что позволило снизить почти до нуля силу трения. Его вес составлял лишь три фунта, а диаметр – пять дюймов, то есть не больше, чем крупные карманные часы. В процессе морских испытаний, проводившихся в 60-е годы XVIII века, географическую долготу удавалось определить с точностью до 10 миль. Этого оказалось вполне достаточно, чтобы получить премию британского парламента в размере 20 тысяч фунтов стерлингов, что эквивалентно нескольким миллионам долларов в наше время.

По иронии судьбы, чем больше времени проходит с момента, когда удалось окончательно решить задачу вычисления географической долготы на кораблях, тем сильнее науку интересует феномен взаимной симпатии часов. Сколь бы бесспорным ни был научный гений Гюйгенса (Ньютон называл его «Суммусом Гюйгением»), даже он не смог оценить подлинное значение того, что Вселенная открыла ему в дни его вынужденного затворничества. Но сейчас, по прошествии более чем 300 лет с того времени, мы в состоянии оценить его открытие по достоинству. Гюйгенс открыл один из самых универсальных механизмов природы – синхронизм в неживой природе.

Нам кажется само собой разумеющимся, что мы можем петь и танцевать вместе с другими людьми, шагать в ногу с ними, в унисон хлопать в ладоши. Синхронизм – наша вторая природа. Но поскольку он дается нам очень легко, мы плохо представляем себе, какие требования синхронизм предъявляет к нам. По-видимому, он требует от нас хотя бы минимального уровня интеллекта, способности планировать свои действия во времени и прогнозировать действия других людей. Именно поэтому публикации о синхронном мерцании тысяч светлячков столь долго вызывали скептицизм ученых и именно поэтому на нас производит столь сильное впечатление синхронное стрекотание сверчков или способы ухаживания самцов манящего краба, которые стараются привлечь самок, размахивая в унисон своими гигантскими клешнями.