Текст книги "Куда летит время. Увлекательное исследование о природе времени"

В любой точке земного шара ученые собирают свидетельства нарастания несоответствий между температурой воздуха и временем. С тех пор как весны стали теплее, некоторые перелетные птицы стали прилетать на брачные игрища в Арктику на две недели раньше, чем в былые годы, создавая большие неудобства припозднившимся особям. Многие виды неперелетных птиц перемещаются дальше на север, чтобы достичь Арктики, где им приходится конкурировать за ресурсы с местными видами. Некоторые виды обладают большим запасом адаптивности, чем другие. К примеру, у многих растений, произрастающих у берегов озера Уолден-Понд, сезон цветения наступает раньше, чем в прошлые годы, причем сейчас они цветут более пышно, чем во времена Генри Дэвида Торо. Организмы, у которых сезонное поведение определяется преимущественно циркадной цикличностью, оказываются в более уязвимом положении. Пеструшка-мухоловка зимует в Западной Африке, а весной гнездится в европейских лесах; ее график миграций связан с продолжительностью светового дня и практически неизменен. Вместе с тем птицы выкармливают птенцов гусеницами, которые сейчас появляются раньше, чем двадцать лет назад. В некоторых регионах птицы добираются до своих гнездовий слишком поздно, когда корма для птенцов уже почти не остается. В результате местные популяции пеструшки-мухоловки уже сократились на девяносто процентов. Создается впечатление, как будто вся планета сейчас переживает что-то вроде синдрома смены часовых поясов. Одни виды приспособятся к потеплению климата и, быть может, даже выиграют от этого, сместив привычные сроки миграций на более раннее или более позднее время, или переключатся на новую кормовую базу. Другие виды не смогут адаптироваться к изменившимся условиям и исчезнут с лица земли.

* * *

Испытать чувство безвременья или нечто похожее можно в глубоком подземелье или на Крайнем Севере, в середине полярной ночи или в свете бесконечного дня. Но есть и более простые способы добиться желаемого эффекта – достаточно взять билет на самолет, и чем дальше, тем лучше.

Для начала вспомним физику: во время авиаперелета вы находитесь в воздухе на высоте в несколько километров и передвигаетесь с высокой скоростью, которая имеет тенденцию к снижению по причине воздействия гравитации. Из специальной теории относительности Эйнштейна следует очень необычный вывод: время внутри быстро движущегося объекта течет медленнее, чем время наблюдателя, находящегося в состоянии покоя. Эксперименты подтвердили теоретические выкладки: выяснилось, что атомные часы на борту реактивных самолетов отстают от стационарных часов на земле. Разница в показаниях может составлять от пары-тройки наносекунд до нескольких часов. (В салоне самолета продолжительность временного промежутка, определяемого как секунда, не изменяется: каждая секунда длится ровно столько же, сколько предыдущая, однако наблюдатель, находящийся в неподвижной системе координат, определит ее как более длительную.) Эффект хотя и незначительный, но вполне ощутимый. В марте 2016 года астронавт Майк Келли вернулся на Землю, проведя триста двадцать дней на орбите. Космическая станция, на которой он находился, кружила вокруг нашей планеты со скоростью порядка 29 тысяч километров в час. За это время оставшийся на Земле брат-близнец астронавта по имени Марк, который родился на шесть минут раньше Майка, успел состариться на дополнительные пять миллисекунд.

Кроме того, наша планета разделена на часовые пояса, расположенные в меридиональном направлении с интервалом в пятнадцать градусов. Всего насчитывается двадцать четыре часовых пояса шириной в один час каждый. Начало отсчета времени, принятое за нуль, находится в городе Гринвич (Англия), где расположена Королевская обсерватория. Поскольку Земля представляет собой шар, который постоянно вращается вокруг своей оси, солнце не может равномерно освещать всю поверхность планеты; световой день не может наступить везде одновременно. Благодаря разделению поверхности Земли на часовые пояса фраза «двенадцать часов дня» в любой точке мира воспринимается одинаково: повсеместно известно, что речь идет о середине суток, когда солнце находится в зените, хотя в данный конкретный момент полдень наступил только в одном из часовых поясов.

Часовые пояса входили в обиход постепенно; необходимость в них возникла в XIX веке, когда понадобилось согласовывать между собой расписания движения поездов в связи с планомерным расширением сети железных дорог. К 1929 году большинство стран мира приняло почасовую схему деления на часовые пояса. С другой стороны, в наши дни есть страны, в которых приняты часовые пояса шириной по полчаса или даже по сорок пять минут, как, например, в Непале. А Китай, быстро прираставший новыми территориями, избрал противоположную стратегию и в 1949 году объединил пять часовых поясов, проходивших через его территорию, в один большой часовой пояс.

В наш век общедоступных авиапутешествий мы регулярно пересекаем границы часовых поясов. За время перелета из Парижа в Нью-Йорк, который длится семь часов, шестичасовая разница во времени между городами успевает нивелироваться. Часы показывают местное время, их показания зависят от вашего местонахождения. Если вы находитесь на борту самолета, летящего с большой скоростью, и любуетесь бескрайней гладью океана из иллюминатора, ваши представления о «здесь» и «сейчас» меняются с каждой секундой. Мои наручные часы могут быть все еще настроены на парижское время, отставая от меня на несколько часов, но справочная карта на изголовье стоящего впереди кресла сообщает мне нью-йоркское время, хотя до Нью-Йорка лететь еще несколько часов. Так что сейчас я пребываю в неопределенном промежутке времени, который кажется бесконечностью.

Во время перелета мы ориентируемся по центральному времени, которое показывают приборы в кабине пилотов, а функции супрахиазматического ядра выполняет командир воздушного судна.

Показания всемирного координированного времени, которое показывают атомные часы в разных уголках мира, взвешиваются на эталонных весах, просеиваются сквозь сито алгоритмов, рекомендованных Международным бюро мер и весов в Париже, и непрерывно транслируются со спутников. Сигналы воспринимают системы управления находящихся в рейсе торговых судов, арендуемых авто и самолетов. За пределами кабины пилотов у каждого свои часы. Кто-то из пассажиров дремлет, кто-то перекусывает. Некоторые готовятся к предстоящему совещанию, назначенному на вторую половину дня, а кое-кто все еще приходит в себя после отчаянной попытки успеть на самолет ранним утром. Внимание других полностью захвачено кинофильмом, и они сейчас пребывают во времени вымышленного сюжета – бесконечно далеко отсюда, где всегда наступает счастливый конец. На пути в Западное полушарие, озаренном постоянным освещением, мы полностью отстранены от каких-либо примет времени и следуем собственному распорядку, не сверяясь с центром.

До сих пор не выяснено до конца, каким образом супрахиазматическое ядро мозга распространяет сигналы времени среди органов и систем человеческого организма. Зато известно, что это длительный процесс, занимающий от нескольких часов до нескольких дней. При пересечении нескольких часовых поясов или в течение одного-двух дней после перехода на зимнее или летнее время происходит резкая смена режима освещения, вынуждающая организм быстро адаптироваться к новому графику. Однако периферийные часы не перестраиваются в одночасье и в последовательном порядке. На какое-то время ваш организм прекращает функционировать как синхронизированная конфедерация внутренних часов и превращается в конфедерацию временно автономных часовых штатов. Такова сущность состояния, известного как джетлаг, или синдром смены часовых поясов. Когда супрахиазматическое ядро моего мозга приземлится в Нью-Йорке, моя печень будет еще в Новой Шотландии, а поджелудочная железа – где-нибудь над Исландией. В течение нескольких дней пищеварительная система будет хандрить: когда мозг скомандует принимать пищу, окажется, что пищеварительные органы еще не успели подготовиться к утилизации продуктов. (Скорость адаптации к новому времени составляет примерно один часовой пояс в день.) По этой причине многие путешественники и пилоты авиалиний, часто преодолевающие большие расстояния, жалуются на гастроэнтерит. Так что синдром смены часовых поясов – это не частная проблема мозга, а системный сбой в работе организма, вызванный рассинхронизацией биологических часов.

ОДИН ИЗ ВОЗМОЖНЫХ СПОСОБОВ БОРЬБЫ С НЕПРИЯТНЫМИ ПРОЯВЛЕНИЯМИ СИНДРОМА СМЕНЫ ЧАСОВЫХ ПОЯСОВ: НЕОБХОДИМО ВОЗДЕРЖИВАТЬСЯ ОТ ПРИЕМА ПИЩИ НА БОРТУ САМОЛЕТА

В научной литературе периферические внутренние часы организма иногда называют вторичными или ведомыми, поскольку они подчинены супрахиазматическому ядру. На самом деле наши периферические часы в состоянии функционировать автономно, а в благоприятных условиях они даже приобретают способность к синхронизации циркадных ритмов не по указке внутреннего хронометра и не по естественному суточному циклу изменения освещенности, а по любым импульсам, получаемым извне. Как выяснилось, пища служит убедительным источником вводных данных для некоторых звеньев внутреннего часового механизма. За прошедшее десятилетие было проведено несколько исследований, которые выявили, что регулярный прием пищи в одно и то же время может вызвать сдвиг фаз циркадного ритма печени в обход светового распорядка, транслируемого мозгом. Также не исключено, что печень начнет генерировать собственные циркадные импульсы. В таких случаях суточная активность печени будет определяться часами приема пищи, а не астрономическим временем. «Если лабораторную мышь кормить в середине цикла сна, она вскоре научится самостоятельно просыпаться перед кормлением, – говорит Крис Колуэлл, ведущий специалист Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе по исследованиям циркадных биоритмов. – Я привожу студентам пример: если курьер будет каждый день приносить вам пиццу на дом в четыре часа утра, то могу поручиться, что вы будете просыпаться в полчетвертого».

Отсюда вытекает один из возможных способов борьбы с неприятными проявлениями синдрома смены часовых поясов: необходимо воздерживаться от приема пищи на борту самолета, когда стюардесса будет разносить закуски. Протокол обязывает бортпроводниц предлагать пассажирам подкрепиться спустя каждые два-три часа полета, причем расчет ведется по времени, установленному в начальной точке маршрута. Во время транзитного рейса в отсутствие привычных световых импульсов печень заведет свои внутренние часы и накрепко привяжет ваш организм к часовому поясу, который вы хотите оставить позади, поэтому заводить биологические часы и выстраивать распорядок питания лучше всего уже по прибытии к месту назначения. «Мы даем путешественникам один и тот же совет – как можно скорее выйти на свет, наладить режим питания и окунуться в общественную жизнь», – говорит Колуэлл. Также он горячо одобряет завтраки. «Коль скоро человеческий организм в некоторых отношениях работает так же, как и организм лабораторной мыши, то завтрак нужен нам для поддержания циркадных импульсов, чтобы не быть ослабленным в отсутствие световых импульсов», – объясняет ученый.

Исследования, проведенные группой Колуэлла, наводят на мысль, что систематические занятия физкультурой также позволяют управлять циркадной регуляцией. В ходе экспериментов с мышами у животных, которым был предоставлен доступ к беговому колесу, отмечалась более высокая интенсивность синхронизирующих импульсов супрахиазматического ядра по сравнению с менее активными особями. Положительное влияние физической активности увеличивалось, если мышам позволяли бегать в колесе только в начале периода бодрствования, а максимальную пользу от упражнений получили мыши, у которых был выявлен дефицит одного из специфических белков, обеспечивающих работу биологических часов. Когда такие животные получали доступ к беговому колесу в конце периода активности, способность супрахиазматического ядра к трансляции синхроимпульсов сердцу, печени и другим внутренним органам значительно улучшалась. Чем больше мыши бегали, тем лучше работали их биологические часы. Пока рано делать выводы о том, что регулярные занятия спортом в одно и то же время окажутся в той же степени полезны людям, но такая возможность представляется Колуэллу очень заманчивой, так как с возрастом наш внутренний хронометр изнашивается. «Мне около пятидесяти лет, и у меня уже проблемы с ночным сном, – признается Колуэлл. – А еще я стал быстрее уставать за день». Так что стареет даже время.

Синдром смены часовых поясов со временем проходит, но люди находят и более долгоиграющие способы внести разнообразие в стандартное чередование светлого и темного времени суток с удручающими последствиями для здоровья. Миллионы американцев работают по сменному графику – взять, к примеру, ночные рейсы дальнобойщиков, вечерние смены в центрах экспедиционного обслуживания или совершенно безумный график дежурств в больницах. Многие страдают от того, что в терминах хронобиологии называется социальным джетлагом и имеет куда более серьезные последствия, чем временный дискомфорт или бытовые неудобства. Одна из ключевых задач биологических часов заключается в контроле метаболических процессов: они следят за тем, чтобы мы ели, когда испытываем чувство голода, а наши клетки при этом получали бы достаточное количество необходимых питательных веществ в положенное время. Многие исследователи заключают, что люди, привыкшие работать во внеурочные часы, более склонны к ожирению, сахарному диабету и сердечно-сосудистым заболеваниям. Поступает все большее количество свидетельств, указывающих на существование тесной связи между нарушением обмена веществ и расстройством циркадного ритма, в частности расхождением циклов чередования сна и бодрствования с показаниями биологических часов. Под нарушением обмена веществ подразумевается широкий спектр патологических состояний, включая сахарный диабет, развивающийся на почве рассогласования деятельности пищеварительной системы и процесса производства и аккумулирования энергии.

Общество готово выделять миллионы долларов на бесконечные попытки выяснить, какие продукты нужно употреблять в пищу для поддержания здоровья, хотя, возможно, не менее важно выяснить, когда лучше садиться за стол. Как показало одно из недавних исследований, мыши, которые предпочитают кормиться тогда, когда им следовало бы спать, а именно в неподходящее с точки зрения циркадного цикла время, быстрее набирают вес по сравнению с мышами, которые питаются вовремя. До недавних пор в научно-исследовательских проектах, посвященных проблеме расстройства циркадных ритмов, фигурировали преимущественно грызуны и нечеловекообразные приматы, но сейчас клиницисты уделяют все больше внимания экспериментам с участием людей, и результаты вызывают большую обеспокоенность. В одном исследовании Гарвардского университета принимали участие десять добровольцев, обученных жить по двадцативосьмичасовому суточному циклу. На четвертый день опыта периоды активности участников поменялись местами: они бодрствовали и принимали пищу среди ночи. Спустя еще четыре дня суточный распорядок добровольцев нормализовался. В итоге за десять дней эксперимента у всех испытуемых показатели кровяного давления взлетели до небес, уровень сахара в крови также превышал норму, а у трех участников было диагностировано преддиабетическое состояние. Впоследствии было установлено, что причиной резкого ухудшения здоровья добровольцев послужил не сам по себе недостаток сна, а прием пищи в те часы, когда пищеварительные органы и жировые клетки не были готовы к утилизации продуктов питания. «Для радикальных изменений в системе метаболизма глюкозы хватило всего нескольких дней, – писал один из экспериментаторов. – Быстрое развитие патологических изменений дает понять, что даже временное нарушение суточного ритма может нанести ущерб здоровью миллионов людей, каждый год сталкивающихся с синдромом смены часовых поясов».

У нынешней эпидемии ожирения множество причин, в том числе наш сидячий образ жизни и совсем не образцовая диета. Данные исследований в области хронобиологии обнаруживают еще одну скрытую подоплеку: мы все чаще распространяем свою активность на неположенное время суток. «Нам досталась безупречно отлаженная система хронометрирования внутренних процессов, работающая по устоявшимся правилам, – замечает Колуэлл. – Чистое безумие полагать, что изобретение электрического освещения позволяет нам ее игнорировать».

* * *

Если ученые не ошибаются, рано или поздно состоится высадка человека на Марс. Это воистину грандиозное начинание: Красная планета находится на расстоянии 58 миллионов километров от Земли, так что один только перелет до Марса с применением сегодняшних технологий двигателестроения займет около шести месяцев, которые участники экспедиции проведут в замкнутом пространстве под искусственным освещением, чувствуя себя запаянными в консервной банке. По мере удаления от Земли защитное действие магнитного поля планеты прекратится, так что в целях минимизации вреда от космического излучения на космическом корабле не предусмотрены иллюминаторы, к тому же из них все равно ничего не будет видно, кроме темноты и звезд. Ученые уже задумываются о том, как сделать условия полета более или менее терпимыми для пассажиров: какая пища окажется максимально полезной и вкусной, какими занятиями можно разогнать скуку и как справиться с ситуацией, требующей неотложной медицинской помощи. В общем, мы когда-нибудь доберемся до Марса. Вы выберетесь из консервной банки под палящие лучи летнего марсианского солнца и поспешите в укрытие, на роль которого сгодится любая постройка, хотя бы отдаленно напоминающая жилье, – скорей всего, ею окажется еще один блок-контейнер без окон с искусственным освещением, приглушенным из соображений экономии электроэнергии.

Наш первый день на Марсе станет самым длинным в истории человечества. Красная планета вращается вокруг своей оси не так быстро, как Земля. Продолжительность марсианских суток составляет 24,65 земного часа – на тридцать девять минут больше, чем на нашей планете. На первый взгляд, разница не так уж и велика, но для организма она весьма существенна: в ходе естественного отбора система циркадной регуляции человека приспособилась к суточному циклу, который короче на целых тридцать девять минут. В скором времени новые марсиане ощутят на себе побочные эффекты искусственного продления суточного цикла. «Это будет похоже на путешествие через два часовых пояса каждые три дня, – объясняет Лаура Бергер, физиолог Гарвардской медицинской школы и Женской больницы Бригхэма в Бостоне. Совместно с Чарльзом Кзейслером, руководителем отделения сомнологии в Гарварде и Женской больнице, и другими коллегами Бергер занималась изучением циркадной регуляции у астронавтов, находящихся на орбите, и у сотрудников службы управления полетом, которые должны поддерживать постоянную связь с астронавтами. В ходе одного из исследований ученые набрали группу добровольцев и попытались помочь им адаптироваться к суточному циклу продолжительностью 24,65 часа. «Циркадная система регуляции не поддается искусственной настройке, – заключает Бергер. – Участники эксперимента страдали от расстройства сна и пугали нас мертвенной бледностью».

В 2007 году Кзейслер провел эксперимент, задавшись целью выяснить, можно ли заставить биологические часы перейти к суточному циклу продолжительностью двадцать пять часов, приближенному к условиям на Марсе, используя искусственное освещение определенного диапазона несколько раз в день. Двенадцать добровольцев провели шестьдесят пять дней в тускло освещенных камерах без часов, окон и других временных ориентиров. В течение первых трех дней испытуемые жили по двадцатичетырехчасовому циклу, затем ученые увеличили продолжительность освещения на час, успешно продлив период бодрствования на час для каждого из участников эксперимента. Интенсивность освещения увеличивалась не за один прием; ближе к концу каждого суточного цикла длиной 24,65 часа исследователи включали освещение примерно такой же яркости, что и на рассвете или на закате. Низкоинтенсивное освещение подавалось сеансами по сорок пять минут с интервалом в один час. Спустя тридцать дней эксперимента добровольцы перешли к двадцатипятичасовому суточному циклу и успешно адаптировались к нему.

УПРАВЛЯТЬ ЦИРКАДНЫМИ РИТМАМИ ВОЗМОЖНО, А ЗНАЧИТ, ВОЗМОЖНО ОДЕРЖАТЬ ВРЕМЕННУЮ ПОБЕДУ НАД СОЛНЕЧНОЙ СИСТЕМОЙ И ЕЕ БЕЗРАЗДЕЛЬНОЙ ВЛАСТЬЮ НАД ФИЗИОЛОГИЕЙ ЧЕЛОВЕКА

Таким образом, научные данные наглядно продемонстрировали, что управлять циркадными ритмами все-таки возможно, а значит, есть возможность одержать временную победу над Солнечной системой и ее безраздельной властью над физиологией человека, пусть даже совсем небольшую. Получив в распоряжение дополнительный час, как распорядится им человечество будущего? Вероятно, дополнительное время будет использовано для труда. В своей работе исследователи отмечают, что производственная деятельность в условиях полета предусматривает в том числе и «выращивание сельскохозяйственных культур в ярко освещенном оранжерейном модуле». А потом все мы выпьем по чарке, любуясь видом из несуществующего окна, и будем просматривать старые фотографии с Земли.

30 ноября 1999 года, спустя тридцать семь лет после нисхождения в пещеру Скарассон, Мишель Сифр приступил к своему третьему и, по всей видимости, финальному эксперименту по депривации времени. Теперь ему шестьдесят лет, и он намерен изучить влияние процессов старения на систему циркадной регуляции. Он снова выбрал для проведения опыта естественную пещеру – карстовую систему Грот де Кламуз в южной части провинции Лангедок, Франция. Широкая деревянная платформа снова встроена в просторную каверну, обтянутую нейлоновым навесом.

У входа в пещеру ученые, доброжелатели и участники группы медиаподдержки не могут удержаться от восхищенных возгласов, когда Сифр, в шахтерском шлеме с лампой, снимает наручные часы, машет рукой на прощание, в последний раз обернувшись перед пещерой, и исчезает во тьме подземелья.

Жилой блок ученого, как и в предыдущих экспериментах, залит светом галогенных ламп. На материалах видеосъемки, сделанной самим Сифром, ученый предстает перед зрителем, сидя за верстаком и поедая лосося из жестяной банки, одновременно занося данные о приеме пищи в компьютер. Исследователи, занимающие отдельное помещение за пределами пещеры, постоянно отслеживают вводимые Сифром данные, его повседневные занятия и сведения о физическом благополучии. Сифр носит зеленые резиновые сапоги и красный флисовый жилет, которые не снимает даже во время ходьбы на лестничном тренажере, собирает мочу в стеклянные сосуды и спит в спальном мешке, привязанном к шезлонгу. При желании он может отдохнуть лежа и расслабиться за книгой – на расстоянии вытянутой руки находится книжная полка, доверху заставленная томами. Он никогда не разговаривает сам с собой, но иногда поет песни.

В понедельник 14 февраля 2000 года Сифр покидает свою геологическую утробу. Снова раздаются приветственные восклицания и аплодисменты, вспыхивают объективы телекамер. Он снова продемонстрировал на своем примере, что биологические часы человека, предоставленные самим себе, отстают от вращения Земли. Прошло семьдесят шесть дней с тех пор, как Сифр углубился в подземелье, но ему кажется, что пролетело всего шестьдесят семь дней, что сегодня пятое февраля. Ранним утром первого января, когда весь мир радостно встречал новое тысячелетие (и попутно вздыхал с облегчением, убедившись, что компьютеры не вышли из строя), Сифр бездействовал: на его календаре было двадцать седьмое декабря, а Новый год он отпраздновал в тот день, когда в мире наступило четвертое января.

Спустя годы Сифр в одном из интервью признался, что длительная изоляция под землей создает иллюзорное ощущение продолжения в вечность настоящего момента. «Все время пребывания в подземелье ощущается как один долгий день. Пробуждение и отход ко сну – единственные перемены, возможные в мире, где ничего не происходит. И ко всему прочему, вокруг непроглядная темнота». Выбравшись из Грот де Кламуз, Сифр доверительно сообщил одному из репортеров: «У меня сложилось такое впечатление, что у меня ухудшилась память. Я даже не могу вспомнить, что я делал вчера или позавчера в подземелье».

Теперь же он наконец-то вышел к свету. Ему радостно просто находиться здесь, под открытым небом, в той версии настоящего, которое имеет свойство начинаться и заканчиваться. «До чего же восхитительно снова видеть над собой синеву небес», – сказал ученый.