Ритм Всесвіту

Безліч процесів у природі, від тих, що відбуваються на атомарному рівні, до явищ астрономічного масштабу, підпорядковуються певним ритмам. Дуже часто ці ритми синхронізуються, причому часто дуже химерним чином. Наприклад, людське тіло представляє собою свого роду «симфонію», підтримувану скоординованим спрацьовуванням тисяч клітин, що задають ритм скорочень серця. Про те, як впливають ці ритми та їх синхронізація на наше життя і життя нашої планети, розповідає книга Стівена Строгаца «Ритм Всесвіту» (пров. з англ. І. Веригіна, видавництво «Манн, Іванов і Фербер»). Пропонуємо вашій увазі фрагмент з третьої глави цієї книги, в якій йдеться про зв'язок внутрішніх ритмів людини з її сном.

Сон і щоденна боротьба за синхронізм

Подібно до всіх новонароджених, моя дочка Леа протягом перших трьох місяців життя була яскраво вираженим анархістом. Вона їла і спала, коли їй заманеться. До часу, коли їй виповнилося 11 місяців, вона вже спала всю ніч, правда, з однією невеликою проблемою: вона незмінно будила мене і дружину рівно в 5:20 ранку. Вона хапалася за поручні свого дитячого ліжечка, приймала вертикальне положення і тактовно покашлювала кілька разів, немов оголошуючи про те, що готова поснідати. Ми розуміли, що скаржитися на долю нам не доводиться (багато батьків терплять набагато більші позбавлення), але дуже хотіли, щоб дочка прокидалася хоча б на годину пізніше. Щоб «підштовхнути» її в цьому напрямку, одного вечора ми спробували укласти її спати пізніше. Природно, з цієї затії не вийшло нічого хорошого: наступного ранку, рівно о 5:20, зі спальні дочки пролунало те саме тактовне покашлювання, але оскільки цього разу їй вдалося менше поспати, вона покарала нас тим, що примхувала весь день.

Ці проблеми, пов'язані з відхиленням від звичного режиму дня, були, по суті, проблемами синхронізації. У перші дні свого життя Леа взагалі не могла синхронізуватися з навколишнім світом: її ритми сну, бадьорювання і прийому їжі (тією мірою, якою вони встигли виробитися у неї в перші дні життя) хаотично змінювалися туди-сюди щодо світових добових циклів. До 11 місяців у неї виникла протилежна проблема: тепер її ритми були занадто жорстко синхронізовані, міцно прив'язані до певного 24-годинного графіку, який мені з дружиною здався досить некомфортним.

Від порушеного синхронізму і супутніх йому проблем зі сном страждають не тільки немовлята та їхні батьки. Американське суспільство поступово приходить до розуміння того, що схильність підлітків занадто пізно вкладатися в ліжко і труднощі з підйомом рано вранці, коли їм потрібно йти в школу, пояснюються зовсім не надмірною повільністю або «моральним розкладом», а тим, що їх внутрішні години налаштовані на інший часовий пояс, розташований західніше часового поясу, в якому проживаємо ми, дорослі. На іншому кінці спектру знаходяться літні люди, багато з яких прокидаються рано вранці, задовго до сходу сонця, після чого довго не можуть заснути і відчувають себе абсолютно розбитими.

Інші різновиди розладу синхронізму ніяк не пов'язані з віком. Ми самі накликаємо на себе ці проблеми, не дотримуючись певного режиму дня. Уявіть собі проблеми зі здоров'ям і сімейні проблеми, з якими доводиться стикатися медсестрам, водіям вантажівок, операторам атомних електростанцій і людям інших професій, яким доводиться працювати то вдень, то вночі. Техногенні катастрофи в Бхопалі, Чорнобилі і Трі-Майл-Айленді трапилися в нічний час, між опівночі і 4 годинами ранку, і були викликані втомою і помилками при прийнятті рішень, пов'язаними з порушенням добового ритму організму. Все це також є побічним продуктом порушень синхронізму, невідповідностей між фізичними можливостями людського організму та вимогами нового, «24-годинного» суспільства.

Ви тільки уявіть: хіба це не диво, що нам так легко вдається підтримувати синхронізм з навколишнім світом! Однак у сліпих людей виникають чималі труднощі: більшості з них не вдається дотримуватися 24-годинного режиму. Кожні два-три тижні вони вибиваються з фази з іншою частиною суспільства, до якого вони належать, що ускладнює їм виконання своєї роботи і соціальних обов'язків. Ось що говорить з цього приводу одна сліпа жінка: "Бути сліпим не так вже страшно, хоча і виникають певні незручності. Наприклад, жахливо те, що годинник сну і пильності у вас змінюється непередбачуваним чином ".

Це свідчить лише про те, яким благом для інших людей є синхронізм. Зрозуміло, ми майже ніколи не замислюємося над цим, оскільки це відбувається саме по собі. Мільйони років еволюції налаштували організм людини на автоматичну синхронізацію з циклами дня і ночі. Але як саме діє цей механізм? Ми говоримо про «стикувальні вузли» організму, але чи існують вони насправді чи це просто фігура мови? Де вони знаходяться: у мозку чи в кожній клітці? У чому полягає їхній біохімічний механізм? Як вони синхронізують один одного і що підрівнює їх під цикл дня і ночі? Після багатьох десятків років, витрачених на дослідження (багато з яких тяглися занадто довго і виявилися безрезультатними), відповіді на деякі з цих загадок, можливо, вдасться отримати в не настільки віддаленому майбутньому. Вивчення біологічного годинника стало одним з найбільш животрепетних напрямків сучасної науки.

Наша уява малює картину, на якій ми представлені у вигляді маленьких коліщат, що знаходяться всередині більших коліщат; вся ця сукупність коліщат являє собою ієрархічну структуру живих осциляторів. Можна спробувати намалювати ще більш наочну картину людського організму у вигляді величезного оркестру. Музикантами в такому оркестрі є окремі клітини, причому всім цим клітинам спочатку притаманне почуття 24-годинного ритму. Ці виконавці згруповані на різних ділянках. Замість струнних і духових інструментів ми маємо справу з такими органами, як нирки і печінка, кожен з яких складається з багатьох тисяч клітинних осциляторів, однакових в межах одного органу, але різних в різних органах, причому всі вони підтримують 24-годинний біохімічний ритм, але вступають в дію і замовкають в строго певні моменти часу. Всередині кожного органу в різні періоди доби сукупності генів перебувають в активному або пасивному стані, забезпечуючи своєчасне (строго за графіком!) вироблення певних протеїнів відповідного органу. Як диригент цієї симфонії виступає задатчик циркадного ритму серця, нейронний «розпилювач» тисяч клітин внутрішніх годинників у мозку, які самі синхронізовані в якийсь когерентний модуль.

Синхронізм виникає на трьох різних рівнях. На нижньому, найбільш мікроскопічному рівні клітини всередині певного органу взаємно синхронізовані; їх хімічні та електричні ритми змінюються строго одночасно. На наступному рівні синхронізм встановлюється між різними органами - в тому сенсі, що всі вони дотримуються одного періоду, незважаючи на те що клітини різних органів відносяться до абсолютно різних типів. Цей вид синхронізму встановлюється в організмі в цілому, тому він називається внутрішньою синхронізацією. Це зовсім не означає, що всі органи активні в одні й ті ж періоди часу. Навпаки, деякі з них перебувають у спокої, в той час як інші діють на повну силу. Це синхронізм у сенсі збігу періоду, підтримки одного і того ж ритму точно так само, як ритм продовжує звучати в головах музикантів, навіть коли вони очікують свого вступу, початку своєї партії. Нарешті, третій рівень синхронізму - це синхронізм між нашим організмом і навколишнім світом. Коли наш організм живе в звичному для себе режимі, пильнуючи вдень і засипаючи на ніч, він синхронізований з 24-годинним ритмом зміни часу доби, підкоряючись головним чином циклу світла і темряви. Цей процес зовнішньої синхронізації, кроку в ногу з навколишнім світом, називається захопленням або залученням.

На сьогоднішній день наші кращі теорії циркадних ритмів людини носять більш описовий, ніж математичний характер. Тут вже нічого не поробиш: у нас відсутнє глибоке розуміння архітектури і динаміки цієї системи. Її ієрархічна організація виявилася набагато більш складною, ніж все, що описується простими моделями популяцій осциляторів, що обговорювалися вище. Спільноту світлячків можна апроксимувати як сукупність самопідтримуваних ідентичних (або майже ідентичних) і мерехтливих майже одночасно осциляторів. У цьому сенсі рівень складності, що асоціюється з синхронними світлячками, співмірний з рівнем складності окремо взятого органу або, повертаючись до нашої аналогії з оркестром, окремої групи інструментів. Ми лише приступаємо до вивчення того, як окремі групи інструментів грають разом як єдиний оркестр і як задатчик ритму координує і направляє їх дії. Іншими словами, ми намагаємося вивчати правила циркадної симфонії.

Ми знаємо, що такі правила існують, оскільки ми можемо спостерігати їх прояви в більшому масштабі, в поведінці цілого, всього людського організму: у наших повсякденних ритмах сну та пильнування, флуктуацій гормонів, травлення, пильності, рівня фізичної активності та когнітивних здібностей. На цьому більш високому рівні вчені нещодавно виявили загадкові регулярності в часові графіках циклів сну і бадьорювання, а також інших циркадних ритмів, незважаючи на те, що мікроскопічний базис для цих законів залишається нерозгаданим. У цьому відношенні наша нинішня ситуація нагадує початковий період розвитку генетики. Мендель виявив, що різні характеристики бобових культур передаються їх потомству відповідно до певних математичних законів, і зрозумів, що ці явища можна пояснити, допустивши існування гіпотетичних об'єктів, званих генами, які рекомбінують відповідно до певних правил. Все це було зроблено задовго до виникнення будь-яких знань про те, що являють собою гени насправді, і про їх фізичне втілення в нитках ДНК. Аналогічно, зараз ми знаємо про те, що циркадні ритми людини підкоряються своїм власним правилам, хоча ми як і раніше залишаємося в невіданні щодо їх фундаментальної біохімічної основи.

Що ж стосується впливу синхронізму на наше повсякденне життя, то одне з найбільш нагальних питань полягає в тому, як задатчик циркадного ритму впливає на сон. Ця частина загадки значною мірою вирішена завдяки драматичним експериментам, під час яких сміливі добровольці місяцями жили на повній самоті в підземних печерах або в приміщеннях без вікон і годин, позбавлені інформації про час доби; вони могли спати або пильнувати в будь-який час, який їм здавалося підходящим для цього. Результати цих досліджень виявилися настільки дивними і в той же час були переповнені настільки інтригуючими натяками, що Арт Вінфрі заявив: «У нашому розпорядженні з'явилося щось на зразок знаменитого каменя Розетта». Розшифровка циркадного коду допомагає вченим і лікарям давати науково обґрунтовані рекомендації щодо складання щадних графіків для роботи в кілька змін і скласти більш чітке уявлення про деякі різновиди безсоння, раніше недоступних для розуміння. Вони навіть пояснювали деякі з «маленьких містерій» життя: наприклад, чому у багатьох народів світу практикується післяобідня сієста або чому нам часто буває нелегко заснути ввечері в неділю.

Читайте повністю: Ритм Всесвіту. Як з хаосу виникає порядок/Стівен Строгац; пров. з англ. І. Верігіна; [Лес. ред. А. Мінько]. - М.: Манн, Іванов і Фербер, 2017. - 384 с.