Флойд Блум - Мозг, разум и поведение
И вегетативная, и эндокринная системы функционируют таким образом, как если бы они имели целью поддержание некоего «заданного уровня» для каждого физического или химического параметра внутренней среды. Эти системы возбуждают или затормаживают различные физиологические функции, чтобы свести к минимуму отклонения отдельных параметров, несмотря на значительные колебания условий окружающей среды.
И наконец, активность систем, которые обеспечивают взаимодействие нашего организма с непрерывно меняющимся внешним миром, тоже должна изменяться. И действительно, уровень нашего внимания может варьировать в широких пределах — от полного бодрствования до глубокого сна, что связано с действием медиаторов, используемых нейронными сетями с обширной зоной влияния.
В следующей главе мы остановимся на взаимосвязях между такого рода «глобальными» сетями и суточными изменениями активности. Рассмотрев ритмические колебания деятельности наших внутренних регуляторных систем, мы начнем понимать, как мозг может заранее предвидеть некоторые потребности, связанные с циклическими изменениями условий жизни.
5. Ритмы мозга
Мы без труда замечаем ритмические изменения, происходящие в окружающем нас мире: весна, лето, осень и зима образуют привычный цикл; солнце всходит каждый день, движется по небу и садится; луна прибывает и убывает; в океане приливы чередуются с отливами. Задолго до того, как люди узнали о вращении Земли и движении планет вокруг Солнца, они наблюдали эти изменения, задумывались об их смысле, устраивали в их честь церемонии и праздники, приурочивали к ним свою каждодневную деятельность. Популярные в средневековой Европе «часословы» описывали различные виды сезонной и суточной активности и предлагали верующим для каждого случая специальные молитвы.
В организме тоже есть свои ритмы, многие из которых связаны с земными циклами и даже приспособлены к ним. Большинство ритмических изменений мы даже не замечаем — таковы, например, гормональные приливы и отливы, циклы быстрой и медленной активности мозга, циклические колебания температуры тела. Хотя нам мало что известно об отдельных исполнителях, мы определенно знаем, что роль дирижера, управляющего биологическими ритмами, в человеческом организме принадлежит мозгу.
Рис. 72. Слева: «Пир в январе». Справа: «Сбор желудей в ноябре». (Jean, duc de Berry, Le Tres Riches Heurs, около 1413 г.)
Однако ритмы существуют и у организмов с менее развитым мозгом и даже совсем без мозга. На песчаных пляжах залива Кейп-Код встречается один вид золотистых водорослей. Во время прилива эти одноклеточные организмы находятся в песке, но как только начинается дневной отлив, водоросли продвигаются между песчинками и выбираются на солнце, чтобы подзарядить свой аппарат фотосинтеза (рис. 73). Незадолго до того как волны возвращающегося прилива накроют их, водоросли вновь уходят на безопасную глубину.
Разумеется, приливы не происходят каждый день в одно и то же время. Наши часы отражают 24-часовые солнечные сутки, а цикл приливов и отливов связан с лунными сутками, длина которых 24,8 ч. Поэтому если в понедельник водоросли атлантического побережья северо-востока Соединенных Штатов должны успеть зарыться в песок в 14 ч 1 мин, то во вторник — в 14 ч 57 мин, в среду — в 15 ч 55 мин и т.д.
Рис. 73. Эти золотистые водоросли во время прилива находятся в песке на глубине около миллиметра. Каждый день во время отлива они выбираются на поверхность, греются на солнце и перед самым приливом снова зарываются в песок. (Palmer, 1975.)
Зависит ли поддержание столь сложного ритма у этих одноклеточных растений от их реакции на сигналы, поступающие из внешней среды? Чтобы выяснить это, представителей популяции водорослей перенесли с песчаного пляжа в лабораторию и поместили в сосуд, находившийся в условиях постоянного освещения. Приливов — или их имитации — в лаборатории тоже не было. Оказалось, что, несмотря на отсутствие показателей времени — дней и ночей, приливов и отливов, — водоросли упорно карабкались на поверхность, когда на их родном пляже начинался отлив, и вновь зарывались в песок незадолго до того, как подступала вода. Водоросли были настолько пунктуальны, что экспериментаторы всегда могли судить по ним об уровне воды на берегу океана, находившемся на расстоянии более 27 миль. Очевидно, что поведением водорослей управляли биологические часы, установленные по лунному времени.
Типы ритмов
Золотистые водоросли демонстрируют суточный ритм, хотя их сутки и составляют 24,8 ч. Подобные ритмы называются циркадианными (от латинских слов circa — около и dies — день) или околосуточными. Цикл сна и бодрствования у человека, суточные колебания температуры тела, концентрации гормонов, мочеотделения, спады и подъемы умственной и физической работоспособности — все это примеры циркадианных ритмов.
Ритмы с периодом более суток называются инфрадианными (infra — меньше, т.е. цикл повторяется меньше одного раза в сутки). Некоторые грызуны, например, ежегодно впадают в зимнюю спячку; при этом температура тела у них падает, и они на протяжении нескольких месяцев пребывают в состоянии полного покоя. Этот годичный цикл относится к инфрадианным ритмам, так же как, например, менструальные циклы у женщин.
Ритмы с периодом меньше суток называются ультрадианными (ultra — сверх, т.е. частота больше одного раза в сутки). Цикличность фаз, чередующихся на протяжении 6-8-часового нормального сна у человека, — один из многих примеров подобных ритмов.
Интерес к биоритмам не ограничивается только стремлением узнать, как функционируют живые существа. Сведения о «приливах» и «отливах» тех иных продуктов, синтезируемых организмом, мог подсказать, например, какое время дня наибе благоприятно для приема определенных лекарств. Эксперименты на мышах показали, что чувствительность этих животных к токсичным веществам резко меняется на протяжении суток. Мыши активны ночью, и в это время они могут без последствий переносить такую дозу препарата, которая днем окажется смертельной или вызовет сильную реакцию. Как показали результаты одного исследования, из мышей, получавших бактериальный токсин в ранние вечерние часы, погибло 80%, а из животных, получавших такую же дозу среди ночи, — лишь 20% (Halberg, 1960). Далее, диагностика многих заболеваний связана с измерением концентрации некоторых веществ в крови или моче. Зная суточные колебания этих показателей, мы сможем поставить более точный диагноз.
Большинство исследований по биологическим ритмам проводилось на растениях, птицах, других животных (эксперименты на человеке допустимый лишь в том случае, если они не причиняют вреда, так что возможности здесь весьма ограниченны). Исследователи пытаются выяснить: 1) какова функциональная организация ритма; 2) где находятся структуры, задающие ритм («пейсмейкеры»), и каков физиологический механизм их действия; 3) какие клеточные и биохимические механизмы обусловливают генерацию ритма в самих пейсмейкерах.
Изучение ритмов у живых организмов (кроме человека)
Более 250 лет назад французский астроном Жан-Жак д'Орту де Меран, заметив, что цветок гелиотропа раскрывается днем и закрывается ночью, решил проверить, обусловлено ли движение лепестков реакцией на свет и темноту. Он спрятал растение в темную комнату и начал наблюдать за ним. Оказалось, что цветок не только продолжал раскрываться и закрываться в отсутствие света, но его цикл в точности соответствовал смене дня и ночи. Астроном пришел к выводу, что ритмы растения контролируются каким-то внутренним механизмом.
Цветы с такой пунктуальностью ежедневно раскрывают и закрывают свои лепестки, что великий биолог Карл Линней спроектировал цветочные часы, состоящие из различных видов цветущих растений, которые распускались поочередно от 6 часов утра до 6 часов вечера.
Рис. 74. Цветок очного цвета (Anagallis), подобно многим другим цветкам, проявляет фототропизм: он раскрывается на свету и закрывается в темноте.
Рис. 75. Цветочные часы, предложенные Линнеем в 1751 г. Цветы разных видов располагаются по часовой стрелке в соответствии с тем, в какое время суток они раскрываются и закрываются — в интервале от 6 часов утра до 6 часов вечера.
Простые организмы
Водоросли, с такой поразительной регулярностью осуществляющие свои циклы на песчаных пляжах залива Кейп-Код, состоят всего лишь из одной клетки. Следовательно, механизм, ответственный за циркадианные ритмы их активности, должен находиться внутри клетки. Однако и по сей день все попытки идентифицировать (в анатомических или функциональных понятиях) пейсмейкер или хотя бы какую-то его часть не увенчались успехом. Водоросль подвергали воздействию высоких температур или потенциально разрушительных химикалий, но она упорно продолжала делать свое дело.
