Артур Т.Уинфри

Время по биологическим часам

Серия SCIENTIFIC AMERICAN LIBRARY

Перевод с английского канд. биол. наук А.М.Алпатова

Под редакцией д-ра физ.-мат. наук, проф. В.И.Кринского

Москва «Мир», 1990

Научно-популярная книга известного американского ученого о процессах подстройки и перестройки биологических часов. Чем обусловлены нарушения ночного сна? В какое время кормить малыша? Как возникают нарушения ритма сердца? Все эти проблемы, касающиеся работоспособности и здоровья человека, оказываются связанными с процессами подстройки биологических часов, ежедневно протекающими в вашем организме.

Для всех, интересующихся биологическими основами здоровья.

Оглавление

Предисловие редактора перевода

Предисловие автора к русскому изданию

Предисловие

Глава 1. Временные зоны

Поддержание синхронности с вращением Земли

Узоры времени в пространстве

Радуга для изображения периодичности во времени

Временные зоны для океанских приливов

Глава 2. Приливные волны сознания

Изоляция от времени

Свободный ход и захватывание биологических часов

Автоматическая установка внутреннего будильника

Каким образом плавный ритм может вызывать дискретные события

Глава 3. Прыжки между временными зонами

Эксперимент для исследования подстройки фазы

Кривые подстройки фазы

Модель: простые часы

Два вида подстройки

Глава 4. Слияние временных зон

Ловушка для сингулярности

Трехмерный график

Глава 5. Кристаллы «живого времени»

Дебют плодовой мушки

«Машина времени» и её продукция

Эксперимент «коловорот»

Глава 6. Коллективная ритмичность в сообществе часов

Когда спят комары?

Популяции клеточных часов

Сонные движения у растений

Одноклеточные часы

Кристалл времени для Gonyaulax

Амплитуда

Глава 7. Сингулярности биохимических часов

Ритмы энергетического обмена

Эффект Пастера

Кристаллы времени для энергообмена

Вращающаяся волна флуоресценции

Компромиссная фаза для связанных часов

Механизм циркадианных часов

Глава 8. Циркадианная динамика и её эволюция

Количественное описание кристалла времени

Контуры химической динамики

Траектория маятника

Модели и механизмы

Почему мы обладаем часами?

Глава 9. Контуры будущего

Дыхание

У нейронов есть соседи

Вращающиеся волны

Химический осциллятор

Фазовая сингулярность при аггрегации клеток

Пространственная дезорганизация сердцебиений

Для дальнейшего чтения

Литература

Источники иллюстраций

Предисловие редактора перевода

Перед вами, читатель, необыкновенная книга. Она необычна по содержанию, по графическому оформлению и превосходным рисункам, по манере изложения, а более всего по тому, что она из всемирно известной «Библиотеки Сайентифик Америкэн» - и пока лишь пятая из ее книг, изданных в Советском Союзе. Первая (С.Вайнберг «Открытие субатомных частиц») появилась в 1986 г., вторая (П.Эткинс «Порядок и беспорядок в природе») - а 1987 г., третья (Д.Лейзер «Создавая картину Вселенной») - и, наконец, четвертая (Ф.Блум, А.Лейзерсон, Л.Хофстедтер «Мозг, разум и поведение") - в 1988 г.

«Библиотека Сайентифик Америкэн» является носителем традиций одноименного журнала, который издается уже более 100 лет и является одним из лучших научно-популярных журналов мира. В качестве авторов туда привлекаются люди очень высокого научного уровня, нередко лауреаты Нобелевской премии. Поэтому читатель узнает о событиях в науке из первых рук, от людей, которые делают науку. А это придает неповторимый аромат новизны и глубину понимания.

Но поскольку текст, написанный специалистом, обычно довольно сложен для восприятия широкой читающей аудитории, над ним работают несколько редакторов, мастерски владеющих словом и умеющих привлечь и удержать внимание читателя; их задача - добиваться от автора четкости и ясности. Текст многократно, как волейбольный мяч в игре, переходит от ученого к редакторам и обратно. Это позволяет достичь поразительного результата: книги «Библиотеки Сайентифик Америкэн» по доступности и увлекательности - на уровне лучших научно-популярных (и даже детективных!) произведений, а по глубине и четкости изложения успешно соперничают с хорошими учебниками. Для автора же это титанический труд. Как говорил мне Артур Уинфри, от его исходного текста не осталось почти ничего, а переделка книги заняла более пяти лет. Зато читатели выиграли.

Книга Уинфри - девятнадцатая в этой серии. Она посвящена важному для всех нас вопросу - как подстраиваются и перестраиваются наши внутренние часы. У большинства людей по их биологическим часам сутки не насчитывают точно 24 часа, и отличия тут немалые: типичные значения приближаются к 25 часам. Ход наших внутренних часов корректируется многими внешними сигналами, например сменой дня и ночи. Но эта корректировка хода не так проста, как в наручных часах: установил правильное время - и все в порядке. В биологических часах при этом происходят переходные процессы различных типов. Они сложны, но понимать их нужно, поскольку от них нередко зависят работоспособность и даже здоровье человека… вверх

Предисловие автора к русскому изданию

Эта книга была завершена три года назад главой 9, в которой были намечены возможные направления будущих исследований. Мой собственный опыт в этих захватывающих проблемах значительно обогатился благодаря встрече с Анатолием Жаботинским в Праге в 1968 г., знакомству с трудами Валентина Кринского в 1970 г., а также благодаря встрече с обоими и еще многими другими коллегами в Пущино в 1983 г. Если бы глава 9 переписывалась сегодня, правка в основном свелась бы к замене некоторых неопределенных прогнозов или ссылок на предварительные публикации в виде тезисов на цитирование полновесных статей в научных журналах. Например, Дж. Тайсон подтвердил предсказание о том, что развитие гриба-слизевика может быть описано в тех же понятиях, что и возбудимые среды, в которых распространяются вращающиеся волны. В конце книги я привожу ссылки на некоторые еще находящиеся в печати статьи на английском языке, которые могли бы заполнить этот трехлетний пробел для интересующегося читателя.

Следуя традициям, установленным Э.Э.Шнолем, В.И.Кринским и другими учеными, наиболее важные исследования вихрей в реакции Белоусова-Жаботинского и разработка их численных моделей были проведены в Пущино и Москве. Подобные модели возбудимых сред могут также описывать вихри и их нити в живой сердечной мышце. Недавние попытки подтвердить существование таких нитей в миокарде собаки увенчались успехом в Медицинской школе Университета Дьюк, продолжаются усилия по созданию и обнаружению вихревых колец, полностью погруженных в толщу сердечной мышцы собаки. Самые первые эксперименты по обнаружению вихревых колец были поставлены А.Б.Медвинским, А.М.Перцовым и А.В.Панфиловым в Пущино на тонкой сердечной мышце кролика… вверх

Глава 1. Временные зоны

Летом 1522 года на якоре у Канарских островов стоит отважный маленький корабль. Это вернулась на родину экспедиция Фернана Магеллана, державшая курс все время на запад и завершившая кругосветное плавание. Капитан давно похоронен в краю, дотоле неведомом европейцам. Лишения и беды унесли большую часть команды: из нескольких сотен осталось всего 31 человек - все больные, преждевременно состарившиеся. Теплый береговой бриз теребит страницы бортового журнала, в котором Антонио Пигафетта на протяжении последних трех лет делал ежедневные записи: «Для того чтобы проверить, правильно ли мы вели счет дней, мы поручили тем, кто отправлялся на берег, узнать день недели. Португальцы, живущие на острове, сообщили, что был четверг, - это повергло нас в изумление, ведь по нашему календарю была еще только среда. Мы не могли поверить, что ошиблись. Я сам был удивлен, более других, поскольку все время был в полном здравии и ежедневно, без исключения, записывал текущую дату".

Так в 16 веке европейцы впервые столкнулись с явлением, которое взволновало их не меньше, чем нас теперь интригует единое пространство-время в теории относительности. В конце концов, пришли к пониманию того, что эта причуда времени - следствие перемещения в пространстве, так же как им пришлось примириться с тем, что если плыть все время на запад, то возвратишься с Востока, теоретически это знал каждый, но лишь немногие оказались настолько подготовленными, чтобы принять это за повседневную реальность.

С расширением мировой торговли парадокс исчезающего дня стал доставлять все большее неудобство. Спустя более трех столетий после возвращения Пигафетты молодой Чарлз Доджсон (в будущем Льис Кэррол, автор «Приключений Алисы в Стране чудес») предложил, как быть с этим парадоксом. Сын священника, он развлекал себя, родственников и друзей, выпуская периодический юмористический журнал под названием «Зонтик пастора». Примерно в 1850 году там появилось следующее причудливое описание «парадокса Пигафетты»… вверх

Глава 2. Приливные волны сознания

Звон детских голосов раздается из древнего восьмисотлетнего монастыря Андекс в Баварии. Вдоль лесной тропинки стоят вековые сосны. За лесом тропинка переходит в короткую дорогу: дом Рютгера Вивера стоит в лучах прохладного октябрьского солнца, за ним виднеется Институт физиологии поведения имени Макса Планка. Между ними, справа от дороги, насыпан холм и зияет вход в бетонный бункер - от него веет холодом. Там, глубоко под насыпью, в тепле расположилась женщина, участница эксперимента; она и не подозревает о нашем визите. Это камера Вивера, обеспечивающая изоляцию от времени - помещение, лишенное окон, телевизора и всех других возможных каналов информации о времени суток. Зато здесь много книг, и раз в день, когда испытуемый спит, к нему поступает газета… вверх

Глава 3. Прыжки между временными зонами

Часы не слишком хороши, если вы не имеете возможности их подстраивать. Некорректируемые биологические часы были бы совершенно бесполезны, если бы их период не был в точности равен периоду вращения Земли. И все же, даже если бы часы были устойчивы к температурным подскокам в случае лихорадки, холодной или жаркой погоды, не реагировали бы на гормональные и эмоциональные расстройства, некоторое различие между внутренним и внешним периодами было бы неизбежно. Предположим, что это различие мало и составляет всего 1 минуту в сутки. Тогда спустя два года вы уже будете не дневным, а ночным существом, просыпаясь в вечерних сумерках и возвращаясь ко сну на рассвете. Еще через два года вы снова попадете в такт с окружающим миром, а еще спустя два года опять станете ночным. Если бы ваши часы были в десять раз точнее, этот четырехлетний цикл превратился бы в сорокалетний, но все равно половину времени вы вели бы ночной образ жизни. В этом случае единственный способ сохранить свою фазу - стать всемирным бродягой, достаточно быстро кочуя из одной временной зоны в другую, так чтобы завершить кругосветное путешествие за четыре года (или за сорок лет). Очевидно, для поддержания синхронности недостаточно просто близости периодов. Для этого нужен ритмический сигнал, механизм ежедневного согласования и подстройки. Основа целесообразности любых биологических часов состоит именно в такой подстроке фазы, в способности по сигналу перепрыгивать из одной временной зоны в другую и таким образом сохранять правильную фазу, не перемещаясь в пространстве, несмотря на неизбежное несовпадение периодов.

Этот процесс называется захватыванием ритма. Один ритм может быть захвачен другим ритмом с иным периодом посредством регулярно повторяющегося сигнала, подобно тому как танцора захватывает ритмичная музыка. Ритмы цветения и плодоношения многих деревьев захвачены сезонными циклами. Так же обстоит дело с ростом и сбрасыванием рогов у северного оленя. Для циркадианных ритмов обычным, естественным сигналом времени является дневной свет… вверх

Глава 4. Слияние временных зон

Для плавной подстройки фазы характерна Кривая Подстройки Фазы, однозначная при любых значениях старой фазы: на поверхности тора эта кривая всегда имеет вид замкнутого кольца. У некоторых организмов она делает петлю, проходя через отверстие тора один раз (нечетная подстройка), у других она вообще не делает витков (четная подстройка). Может ли это быть основанием для классификации механизмов часов или механизмов действия стимулов?..

…В топологии есть теорема об этой неустранимой, неизбежной неопределенности фазы, так называемая теорема о нестягиваемости. В ней рассматривается попытка стянуть все точки многообразия (здесь - разноцветного прямоугольника) к его границам так, чтобы они приняли окраску ближайших пограничных точек, при этом, однако, не нарушая связности множества) не делая в нем разрывов и не выкалывая отдельных точек), когда соседние цвета плавно переходят друг в друга. В теореме доказывается, что это невозможно: хотя бы одна точка должна остаться неопределенной.

Стало быть, должно существовать уникальное сочетание величины стимула и времени воздействия, после которого не произойдет закономерной подстройки фазы. Что же случиться? Изменится вид ритма? Наступит аритмия? полная неподвижность? Ответ на этот вопрос может дать только эксперимент. Несколько таких экспериментов (и ответов) будут рассмотрены в следующей главе… вверх

Глава 5. Кристаллы «живого времени»

…Таким образом, полученная в опыте поверхность подстройки фазы похожа на чудесную снежную гору с бесконечным спуском-серпантином, по которому хочется мчаться на лыжах, делая виток за витком по спирали вокруг сингулярности. Если взглянуть на эту гору сверху, можно нарисовать ее топографическую карту.

Топографическая карта фаз не только показывает точное местоположение сингулярности, ее ежедневное повторение, но, кроме того, еще и выявляет непредвиденное сжатие, смещение всей картины вниз при движении слева направо, то есть в сторону малых величин стимула. Это означает, что позже, после перехода от постоянного белого света в темноту, тот же эффект достигается при более короткой экспозиции, при меньшей величине светового стимула. Иными словами, чем дольше насекомое остается в темноте, тем чувствительнее к свету становятся его часы. В течение двух-трех дней достигается двенадцатикратная темновая адаптация: если сразу после переноса куколок с непрерывного яркого света в темноту световые импульсы воспринимаются слабо, то после двух дней пребывания в темноте чувствительность часов возрастает настолько, что непрерывного освещения, даже более тусклого, чем лунный свет, уже достаточно, чтобы остановить их ход… вверх

Глава 6. Коллективная ритмичность в сообществе часов

Представьте, что в часовой мастерской на стене висят сотни механических часов, и все они должны бить в полдень. Если их устанавливали недостаточно точно, то некоторые начнут бить еще утром, около полудня какофония достигнет крещендо, а последние удары раздадутся уже во второй половине дня. Незрячий наблюдатель, стоя на улице, не сможет различать бой отдельных часов - он скажет, что часовая мастерская выдает плавный циркадианный ритм шума. А если он к тому же окажется любителем статистики, то сможет описать свои наблюдения гладкой синусоидой, вычислить ее амплитуду, время максимума и минимума.

Допустим, что орда злоумышленников совершила налет на мастерскую и быстро развесила грузы на стрелках часов. Теперь каждые часы будут подстроены в зависимости от значения старой фазы. На другой день наш уличный наблюдатель заметить изменение фазы и амплитуды коллективного ритма шума, доносящегося из часовой мастерской. Для теоретика не составит труда преложить уравнения, описывающие новую фазу и амплитуду как функции величины грузов и исходного распределения старых фаз на момент начала возмущения. Чего можно ожидать в таком случае? Вы помните, что каждые отдельно взятые простые часы обладают нечетной КПФ, не способны на четную подстройку и лишены сингулярностей. Но тогда ответ может вас удивить: оказывается, новая фаза коллективного ритма зависит от его старой фазы и величины стимула точно так, как было в уже знакомых вам кристаллах времени. Причина этого, если не вдаваться в подробности, состоит в том, что коллективный ритм в отличие от ритма отдельных часов имеет амплитуду, зависящую от взаимной синхронности всех часов. Стимул существенно влияет не только на фазу, но и на степень синхронности. При хорошей синхронности коллективная амплитуда высока и фаза у коллективного ритма вполне определенная. В случае слабой синхронности амплитуда мала и фаза неоднозначна. Оказывается, кристалл времени для популяции часов представляет собой винтовую поверхность, закрученную вокруг сингулярности… вверх

Глава 7. Сингулярности биохимических часов

Похоже, клетки зеленых растений совершенно не способны захватывать (синхронизировать) ритмы друг друга - возможно, потому, что в естественных условиях их взаимная синхронность всегда гарантирована: ее обеспечивает великий маятник - Солнце. Но клетки гриба или крысы не нуждаются в прямых солнечных лучах. В лаборатории они проводят месяцы и даже годы в полной темноте. Как поддерживается их синхронность? Несомненно, что по крайней мере некоторые клетки остаются взаимно синхронизированными: это доказывают, например, результаты опыта Рихтера с обезьяной, ритм сна-бодрствования которой сохранялся в лаборатории на протяжении нескольких лет совершенно независимо от суточного распорядка окружающего мира. Очевидно, ее часы, представляющие собой пару двусторонне-симметричных супрахиазменных ядер, а может быть даже отдельные клетки в них, поддерживают взаимную синхронность между левой и правой половинами своего «механизма». Супрахиазменные ядра контролируют ритмическую секрецию шишковидной железой гормона мелатонина. Путем ритмического введения мелатонина можно обеспечить захватывание циркадианных часов. Следовательно, контролируя секрецию мелатонина, часы в клетках мозга могут захватывать друг друга. Самый распространенный способ взаимного захватывания - ритмическое выделение вещества, сдвигающего фазу клеточных часов в зависимости от ритмически меняющейся чувствительности к нему этой клетки… вверх

Глава 8. Циркадианная динамика и ее эволюция

Фазовая сингулярность представляет собой разрыв на гладкой винтовой поверхности, показывающей зависимость новой фазы от величины и времени действия стимула. Эта поверхность заслуживает внимания, поскольку она отражает важнейшее свойство любых биологических часов: их способность подстраиваться по сигналы времени. Какова бы ни была форма этой поверхности, она наводит на мысль, совсем простую, но довольно странную: в некотором смысле механизм биологических часов содержит нечто подобное внешним временным зонам. Подождем с разъяснениями и рассмотрим метафору.

Примем земной шар, вращающийся вокруг своей полярной оси, за гигантские часы. Возьмем Южное полушарие (достаточно одной Антарктиды) и разделим поверхность глобуса на условные временные зоны, сходящиеся к Южному полюсу. Выделим какую-нибудь приполярную параллель: каждая точка, лежащая на ее кольце, за один оборот глобуса проходит через все временные зоны. Для находящегося на Солнце наблюдателя расстояние до каждой их этих точек испытывает 24-часовые колебания.

Теперь вообразим, что внезапная катастрофа одновременно резко сдвинула все точки кольца в одном направлении на одинаковое расстояние. В результате такого толчка для каждой точки установится новый ритм величины расстояния до солнечного наблюдателя: период останется прежним, 24-часовым, но фаза, вообще говоря, изменится. (Обратите внимание, что разница между самым близким и самым далеким положением точки - амплитуда ритма - тоже изменится.) Из каждой исходной старой фазы соответствующая точка переехала в некую новую фазу. Какова эта новая фаза и как она зависит от старой?.. вверх

Глава 9. Контуры будущего

Математические закономерности порой обнаруживаются в самых неожиданных местах. В том числе все новые приложения находят топологические принципы подстройки фазы в циркадианных часах. Пример их явной практической значимости был затронут в главе 5. Водитель ритма сердца представляет собой биофизический осциллятор, регулируемый нервными импульсами. Оказывается, для него возможна подстройка, как по четному, так и нечетному типу. В сочетании образуется винтовая поверхность с фазовой сингулярностью посередине. Другой подстраиваемый осциллятор, представляющий интерес для нейробиологов, задает ритмы дыхания. Возможно, именно с ним связана внезапная остановка дыхания, которая нередко приводит к трагической гибели младенцев.

Подчиняется ли ритм дыхания биологическим часам? Этот вопрос можно рассмотреть в общем виде, не вдаваясь в малоизученные механизмы деятельности центров, расположенных в стволе мозга. Способны ли нервные импульсы, влияющие на вдох и выдох, изменить фазу нормального ритма дыхания? Будут ли кривые подстройки фазы для малых стимулов - нечетного типа, а для больших - четного? Если да, то существует ли здесь сингулярность? Экспериментальным поиском ответов на эти вопросы недавно занялись Дэвид Пейдарфар, Фредерик Элдридж и Джеймс Кили из Медицинского института при Университете в Северной Каролине. Они работали не с человеческими младенцами, а со взрослыми кошками, но мотивы очевидны: если внезапная гибель младенцев обусловлена, казалось бы, беспричинной остановкой дыхания, то не замешана ли здесь сингулярность?.. вверх