Как наш организм отслеживает течение времени?

Фламини говорит, что на 65-й день она потеряла всякое ощущение времени. Но может ли она быть уверена, что это был именно 65-й день?

Для сравнения: в 1962 г. француз Мишель Сиффр вышел на поверхность из пропасти Скарассон в Италии, проведя там, как ему казалось, 33 дня. На самом деле он провел под землей 58 дней.

Тиканье часов жизни

Каким образом изолированные люди могут вести регулярный учет времени, даже если они оторваны от окружающей среды?

Просто потому, что биологические ритмы лежат в основе жизни, регулируя ее на всех уровнях – от молекулярного до целого организма. Это не только циклы сна и бодрствования, но и температура тела, гормоны, обмен веществ, работа сердечно-сосудистой системы и т.д.

И эти ритмы имеют множество последствий, не в последнюю очередь для здоровья населения. Действительно, ряд заболеваний носит эпизодический характер: например, астма чаще проявляется ночью, а сердечно-сосудистые катастрофы – утром.

Другой пример – сменная работа, которая отрывает человека от окружающей среды. Она может быть связана с повышенным риском возникновения раковых заболеваний у работников, что побудило ВОЗ отнести ее к числу вероятных канцерогенов.

Ритмы также влияют на то, как мы взаимодействуем с другими видами. Например, африканский трипаносомоз, называемый также сонной болезнью, – это нарушение нашего суточного ритма, вызванное паразитом Trypanosoma brucei, метаболизм которого также суточный – как и наш иммунитет.

Гены: великие часовщики

Вращение Земли, Луны и Солнца порождает экологические циклы, которые благоприятствуют селекции биологических часов.

Биологические часы – это внутренний механизм организма, который в отсутствие сигнала из окружающей среды работает с собственной частотой. Например, регулярное чередование дня и ночи способствовало эволюции циркадных часов (circa, что означает “примерно”, и diem, что означает “день”).

Впервые механизм циркадных часов был обнаружен у плодовой мушки, известной также как дрозофила, в 1970-х годах.

В его основе лежат петли обратной связи в транскрипции и трансляции нескольких генов – ген А способствует экспрессии гена В, который, в свою очередь, подавляет экспрессию гена А, создавая осцилляцию.

В дневное время свет вызывает уменьшение специфических факторов цикла через фоторецептор, называемый криптохромом. Интересно, что ключевые факторы этого механизма состоят, по сути, всего из нескольких генов, названных period, timeless, clock и cycle.

Однако в основе тонкой настройки и регуляции часов лежит сложная молекулярная и нейронная сеть, обеспечивающая их временную и точную работу.

Не существует единого, всеобъемлющего циркадного времени, которое организовало бы все живое, поскольку гены часов у разных видов различны. Но принцип остается тем же: гены, экспрессия которых колеблется.

Биологические ритмы описаны во всех изученных к настоящему времени таксонах (группах организмов), среди которых цианобактерии (вид бактерий, получающих энергию путем фотосинтеза), грибы, растения и животные, включая человека.

Кроме того, синхронизацию организма с окружающей средой осуществляют различные датчики времени (цейтгеберы): свет (наиболее изученный на сегодняшний день), температура и пища, в частности.

Внутренние часы, синхронизируемые окружающей средой

Одним из наиболее конкретных проявлений циркадных часов является “смена часовых поясов”. Это отклонение внутреннего ритма человека от времени часового пояса, в котором он находится.

Сигналы окружающей среды в целом и света в частности способствуют ресинхронизации человека: свет, воспринимаемый в конце ночи, переводит часы вперед, а свет, воспринимаемый в начале ночи, задерживает их.

Свет, воспринимаемый в дневное время, не оказывает никакого влияния. У человека свет не воспринимается непосредственно молекулярными часами, а улавливается сетчаткой, затем передается по ретино-гипоталамическому пути в центральные часы, где модулирует синтез часовых белков.

Однако эта система не является бесконечно масштабируемой: человеческому организму требуется примерно один день, чтобы адаптироваться к часовой разнице во времени.

Поскольку циркадный период, присущий Homo sapiens, длится в среднем 24,2 часа, нам проще двигаться на запад и удлинять свой день, чем на восток и укорачивать его.

Именно поэтому спортсмены и исследователи, изолирующие себя в глубинах Земли, оказываются рассинхронизированными со временем на поверхности и в итоге воспринимают меньшее количество дней, чем 24-часовые солнечные сутки.

Другое время, другие часы

Циркадные часы – не единственный часовой механизм, существующий в природе. Многие биологические процессы имеют сезонный характер, например, миграция множества птиц и насекомых, размножение и спячка многих видов животных, цветение растений.

Эта сезонность, как правило, диктуется несколькими факторами, в том числе и так называемыми цирканнальными часами у многих видов. Механизм этих часов пока не определен.

Часовые механизмы у морских видов также неизвестны, в том числе из-за сложной временной структуры океанов.

Морские организмы подвержены воздействию солнечного цикла чередования дня и ночи, который накладывается на ряд лунных циклов, наиболее заметным из которых является приливной цикл (с периодом 12,4 часа или 24,8 часа).

Полулунный и лунный циклы (14,8/29,5 суток), связанные с фазами Луны, также оказывают сильное влияние на морскую среду через свет и приливы. Времена года также оказывают влияние на эти экосистемы.

При всей своей сложности временная структура морской среды предсказуема, и у морских видов описаны биологические ритмы, связанные со всеми этими циклами.

Например, многие кораллы синхронизируют свое размножение, откладывая яйца раз в год в течение очень короткого периода времени. Некоторые морские черви роятся ровно раз в месяц, в самые темные часы ночи, чтобы начать свой репродуктивный танец перед нерестом и смертью.

Интересно, что в 2020 году наша группа ученых показала, что биологические ритмы не ограничиваются прибрежной средой. Мы действительно продемонстрировали ритмы в поведении и экспрессии генов на глубине 1700 м у мидии, обитающей в гидротермальных источниках срединно-Атлантического хребта.

Наша работа подчеркивает, что временная координация в физиологии, вероятно, имеет решающее значение даже в самых экстремальных условиях жизни, таких как глубокий океан.

Одри Мат, научный сотрудник отдела морской биологии и хронобиологии, Венский университет.