Совы, жаворонки и голуби. Что такое циркадные ритмы и почему они у нас разные

О сне и бодрствовании

Что такое вообще циркадные ритмы? У нас в сутках 24 часа по вполне очевидным причинам — именно столько нужно Земле для того, чтобы сделать полный оборот вокруг своей оси (на самом деле это значение чуть-чуть меньше, чем 24 часа, но с учетом вращения еще и вокруг солнца получается как раз столько). День сменяется ночью, мы (по крайней мере, большинство из нас) ложимся спать вечером и просыпаемся утром. Каждое живое существо, каждая травинка, насекомое и деревце — всё подчиняется циркадным ритмам, всё живет по единому циклу. И эта смена тьмы и света влияет на нас больше, чем можно было бы предположить: многие современные ученые считают, что именно сбитые циркадные ритмы, сформированные из-за нездорового образа жизни, ответственны за развитие множества самых разных заболеваний — от диабета до ментальных расстройств.

Циркадные ритмы — это биологические процессы, которые следуют стандартному земному 24-часовому циклу и регулируются внутренними силами организма. Эти ритмы действительно синхронизируются с внешней средой, со сменой темноты и света, и оказывают значительное влияние на наши физиологические функции. Несмотря на внешние стимулы, природа циркадных ритмов лежит глубоко внутри нашего мозга. В экспериментах, где участники находились в полной изоляции от внешних факторов (без света, часов или информации о времени — некоторые эксперименты, например, проходили в пещере), их биологические часы продолжали следовать циклу, близкому к 24 часам, хотя он мог немного удлиняться или сокращаться (об одном из экспериментов — целых шесть месяцев без солнечного света! — хорошо написано в журнале «Наука и жизнь»). Редко в каких экспериментах сообщалось о по-настоящему сбитых ритмах, хотя в литературе и описаны ритмы по 48 часов.

Информация о внутреннем ритме легла в основу теории о биологических часах, каком-то органе, который самостоятельно регулирует циркадные ритмы, лишь ориентируясь на ритмы природные, но не основываясь на них полностью. И эти часы были найдены — в супрахиазматическом ядре гипоталамуса. Именно этот орган управляет выделением того самого гормона сна, мелатонина, ответственного за сонливость.

Основной регулятор циркадных ритмов — это свет. Когда глаза фиксируют свет, сигнал передается в супрахиазматическое ядро, что приводит к подавлению секреции мелатонина. При наступлении темноты уровень мелатонина повышается, вызывая чувство усталости и сообщая организму о том, что недурно было бы и отдохнуть.

Схема вроде бы простая, но чем больше наука изучала циркадные ритмы, тем больше находила участников их регуляции. Оказалось, что биологические часы — это множество молекул, связанных между собой в единую структуру по типу маятника, регулируемую по принципу отрицательной обратной связи. Супрахиазматическое ядро гипоталамуса — это центр управления полетом, то место, где ритмы регулируются в зависимости от того, что происходит вокруг и внутри организма.

Схема регуляции циркадных ритмов элегантна и довольно сложна. У нас есть три гена, которые кодируют белок под названием PER (сокращение от английского слова period). Эти гены днем стимулируются активаторами транскрипции CLOCK и BMAL1. К концу дня количество PER в клетке увеличивается, и он в свою очередь связывается с активаторами и мешает им активировать гены. Так PER регулирует собственный ген, чтобы концентрация белка не превышала определенного уровня. За ночь она падает, белка становится ничтожно мало, и активатор транскрипции снова влияет на ген, стимулируя накопление PER. Цикл повторяется заново.

Возможно, именно от длины гена, кодирующего PER, и зависят наши отношения с циркадными ритмами. По крайней мере, результаты одного из исследований показали, что полиморфизм гена Per3 действительно влиял на образ жизни: более длинная аллель чаще встречалась у жаворонков, а более короткая аллель — у сов.

На самом деле, помимо описанных белков, в цикле участвует еще множество молекул: и активаторы генов, и их репрессоры, и отдельные «рабочие» белки…

Согласно последним данным, на «жаворонковость» и «совиность» влияет целый ряд генов, причем только известных локусов уже 351.

Весь наш организм зависит от циркадных ритмов, множество самых разных процессов подвержены колебаниям: от секреции гормонов до регуляции температуры тела и метаболизма в целом. Даже иммунная система регулируется циркадными ритмами! Эксперименты показали, что эффективность иммунотерапии при онкологических заболеваниях также зависит от времени суток. Дело в том, что количество иммунных клеток в нашем кровотоке достигает пика, когда мы отдыхаем; но вот для тканевых лимфоцитов закономерность обратная — их количество в эти моменты резко сокращается. Именно такие циркадные ритмы стоит учитывать при терапии онкологических заболеваний: регулируя время введения инъекции, можно добиться большей эффективности.

Интересно, что циркадные ритмы есть у всех живых существ, даже у тех, у кого и мозга-то никакого нет. Ген period, «ответственный» за PER, открыли с помощью дрозофил — за это ученые Джеффри Холл, Майкл Росбаш и Майкл Янг (примечательно, что открытие они сделали независимо друг от друга!) получили в 2017 году Нобелевскую премию по физиологии и медицине. Циркадные ритмы есть у одноклеточных цианобактерий и, по-видимому, даже у бактерий нашего микробиома, причем регулируется их ритм нашим собственным организмом, вернее, продуктами его метаболизма. В их биологических часах участвуют другие белки, но схема примерно та же, да и «биологические сутки», судя по всему, длятся те же 24 часа.

Жаворонки, совы и голуби — кто все эти люди?

У вас есть знакомые жаворонки? Тогда вы знаете, кто они: те, кто вскакивают с постели в пять-шесть утра, а то и раньше, бегают всё утро как электровеник, а к вечеру, когда «нормальные» люди только-только приходят в себя, уже поникают и жаждут поспать. А может быть, вы сами жаворонок и страдаете от обилия сов вокруг: мало того, что спят до обеда, так еще и норовят из дома вытащить затемно, часов эдак в восемь вечера!

Внутренний биологический режим, который определяет оптимальные периоды активности и отдыха в течение суток, называют хронотипом.

Хронотип — это, по сути, отражение внутренних заранее заданных циркадных ритмов. Традиционно выделяют утренний хронотип и вечерний хронотип: те самые жаворонки и совы, но есть и другие классификации (например, животные — среди них медведи, львы, дельфины и волки). Жаворонки ощущают наибольшую активность в первой половине дня. Ученые предполагают, что у жаворонков присутствует более ранняя активизация супрахиазматического ядра, а ускоренное начало выработки мелатонина способствует такому режиму. Совы же чувствуют себя наиболее активными ближе к вечеру, а утреннее пробуждение для них часто связано с повышенной сонливостью и утомляемостью. Исследования показывают, что у сов мелатонин начинает вырабатываться позже, что ведет к позднему засыпанию и трудностям с ранним пробуждением.

Для выявления хронотипа отдельного человека существуют опросники, например популярный MEQ (morningness—eveningness questionnaire), он же тест Хорна — Остберга, предложенный еще в 1976 году. Опросники не истина в последней инстанции, но применяются и для личного пользования, и в науке очень часто.

Так, с жаворонками и совами всё понятно, но кто такие голуби?

Голуби представляют собой промежуточный тип между жаворонками и совами, и для них характерна стабильная активность как утром, так и вечером.

Их циркадные ритмы настроены ближе всего к стандартному 24-часовому циклу, что позволяет им сохранять гибкость в режиме сна и бодрствования. Дело в том, что, несмотря на традицию делить людей на сов и жаворонков, чистых сов и жаворонков практически не существует, хронотип — это скорее спектр. Хронотип может варьироваться от человека к человеку в зависимости от генетики, возраста и других факторов. Получается, что хронотипы людей распределены в популяции стандартным гауссовским распределением, с пиком в некоей общей «норме» и снижением распределения в крайних точках. При этом люди с чрезвычайно ранним хронотипом просыпаются, когда люди с чрезвычайно поздним только засыпают.

Почему люди вообще делятся на птиц? Есть предположение, что это эволюционно-закрепленный механизм. Изменение хронотипа могло развиться еще на стадии охотников и собирателей: при поочередном сне кто-то из племени всегда бодрствует и несет вахту, защищая сон остальных. По крайней мере, современные племена, живущие в той же парадигме, что и наши предки, ведут себя примерно так.

Как мы уже говорили, циркадным ритмам подвержено множество самых разных процессов. Даже сама ДНК зависит от этих ритмов: у генов есть пики экспрессии и спады, причем ритм здесь — те же 24 часа, либо иногда 12. Но есть в этих ритмах нечто удивительное: они… зависят от пола.

Считается, что у женщин в среднем более утренний хронотип, чем у мужчин, а средний внутренний циркадный период у них короче. В исследовании 2001 года, в котором приняло участие более двух тысяч человек, мужчины демонстрировали более выраженное предпочтение вечернего времени. Авторы также сделали любопытное предположение, что у мужчин в целом циркадные ритмы более гибкие и легче подстраиваются под изменения. При этом, судя по другому исследованию, такие различия наблюдаются только до 40 лет, после чего разница уменьшается.

Опасность приходит откуда не ждали

Есть ли болезни, ассоциированные с совами и жаворонками? Есть, и немало, причем как в области метаболических заболеваний, так и в области заболеваний ментальных. Увы, но пока что имеющиеся данные в один голос заявляют: жаворонки наименее подвержены развитию ментальных заболеваний и симптомов депрессии, а вот совы, увы, склонны к развитию подобных состояний. Связь хронотипа с развитием шизофрении пока не доказана, хотя и тут накапливается всё больше и больше данных против совиного образа жизни. Совы также статистически чаще страдают от биполярного расстройства.

В исследовании 2021 года, опубликованном в журнале Molecular Psychiatry, более 450 000 людей среднего возраста записали свои предпочтения по поводу пробуждения, и те, кто просыпался раньше, также имели тенденцию сообщать о более редких случаях депрессии и тревоги. Это, конечно, может быть корреляцией, а не прямой причинно-следственной связью — например, есть исследования, которые связывают воздействие солнечного света с уменьшением риска депрессии. Есть также исследование, в котором утверждается, что избыток света после полуночи повышает риск развития депрессии на 30%. Помимо депрессии, избыточность света ночью может привести к бессоннице и повышенной тревожности. Недостаток дневного света и избыток света после полуночи встречается в жизни практически каждой совы.

Поздний отход ко сну также коррелирует с развитием некоторых онкологических заболеваний, например рака простаты. Риск выше, если сова еще и работает в ночную смену.

Есть литературные данные и об определенной корреляции вечернего хронотипа и развития метаболических расстройств (сахарный диабет 2-го типа, ожирение и т. д.). Общий обзор исследований, опубликованных в журнале Advances in Nutrition, показал, что совы имеют более высокий риск приобрести болезнь сердца и диабет 2-го типа, чем жаворонки, возможно, из-за нерегулярного питания и чрезмерного потребления калорийной пищи — так совы поддерживают себя в период усталости, что может привести к расстройствам пищевого поведения и метаболическим нарушениям.

В недавнем исследовании, опубликованном в Experimental Physiology, также указывается, что наши циклы сна и бодрствования напрямую связаны с метаболизмом тела, причем люди с «ранними» хронотипами больше полагаются на жир как источник энергии во время высокоинтенсивных упражнений.

Еще у жаворонков более низкий индекс массы тела и лучшие показатели липидного профиля. Предполагается, что у них в целом меньше проблем с соблюдением режима питания и физической активности. Все потому, что время, когда мы хотим есть, тоже регулируется циркадными ритмами. У сов это время, увы, сбивается, что, в дополнение к привычке питаться неправильно и нерегулярно, приводит к печальным последствиям.

Помимо нездоровой пищи, совы сильнее жаворонков подвержены вредным привычкам: они потребляют больше алкоголя и реже бросают курить. А еще куда чаще жаворонков потребляют кофеин из кофе, газированных напитков и энергетиков, а не из чая.

А что по другим аспектам?

Но есть для сов и хорошие новости: они, вероятно, чуть работоспособнее своих более ранних собратьев.

В исследовании 1999 года было показано, что, когда дело касается творческих задач, совы с лихвой обгоняют жаворонков — вопреки народной мудрости.

Однако большинство творческих профессий требует вечерней активности (шоу, концерты, спектакли — всё это вечерние мероприятия). Значит ли это, что туда изначально идут в основном совы, или они просто вырастают, «настраивая себя» на такое творческое вечернее поведение? Кроме креативных способностей, совы лучше показывают себя в задачах на дивергентное мышление.

Есть, однако, и другие исследования, показывающие, что дети с утренним хронотипом в среднем имеют лучшие оценки по сравнению с детьми с вечерним хронотипом, причем это не зависит от того, в какое время проводилось занятие. При этом сами авторы пишут, что это может быть связано просто с тем, что дети с вечерним хронотипом меньше высыпаются — занятия могут быть и поздними, но вставать в школу всё равно обычно нужно рано утром.

Ряд ученых связывают хронотипы даже с умением… играть в бейсбол! По крайней мере, существует статья, авторы которой утверждают, что игроки-жаворонки имели более высокий средний показатель отбивания, чем игроки-совы, в тех играх, которые начинались до 14:00. Однако у игроков-сов средний показатель отбивания был выше, чем у игроков-жаворонков, в партиях в середине дня, которые начинались между 14:00 и 19:59. Это преимущество у игроков-сов сохранялось и было наиболее сильным в поздних играх, которые начинались в 20:00 или позже. Казалось бы, всё логично — сове по утру не до спорта, однако результаты любопытные.

А еще совы страдают от социального джетлага. Дело в том, что мир в целом заточен под жаворонков — большинство людей работает с девяти утра до шести вечера, большинство организаций открыто в то же время.

Радикальные совы, встающие около полудня, а то и позже, часто оказываются выкинутыми из реальной жизни. Социальный джетлаг ассоциирован с повышенными индексом массы тела, уровнем гликированного гемоглобина и гормона стресса кортизола, частотой сердечных сокращений, а еще с симптомами депрессии и вредными привычками. Увы, и здесь совам не везет.

Именно с социальным джетлагом, то есть с тревожностью и подавленностью, могут быть связаны все остальные неприятности сов — и злоупотребление кофеином, никотином и алкоголем, и депрессивные и другие ментальные расстройства, и нездоровое питание. В таком случае стоит говорить не «вечерний хронотип коррелирует с такими состояниями», а «социальная стигма людей с вечерним хронотипом приводит их к таким состояниям».

Идеальный хронотип

Раз существует столько заболеваний, ассоциированных с тем или иным хронотипом, то возникает закономерный вопрос: есть ли идеальный хронотип? Можно ли как-то «настроить» себя на «идеальность» и снизить тем самым вероятность развития заболеваний?

Начнем с изменения хронотипа: во-первых, он может изменяться с возрастом. У детей обычно преобладает утренний хронотип, затем по мере взросления мы становимся более «вечерними». Пик приходится на 19 лет, но чем дальше, тем больше люди переходят на утренний режим, хотя и не все. Это объясняется изменением выработки мелатонина и других молекул.

Изменение же самостоятельное, просто по желанию души, — дело совсем другое. Да, немного сдвинуть свой хронотип можно. Однако, хотя циркадный ритм можно тренировать, придерживаясь строгого графика, базовый хронотип существует на постоянной основе. То есть даже если вы изо дня в день будете заставлять себя вставать в пять утра и сразу же приступать к активным действиям, но на деле ваш организм совиный, то комфортным для вас даже через много лет такой суровой жизни будет совиный график, а ранние подъемы всегда будут происходить через силу.

Хотя мягкое и нерадикальное изменение ритмов может быть полезным, особенно для не самых экстремальных сов. Так, в исследовании 2019 года сдвиг ритмов на два часа помог совам чувствовать себя лучше, снизить сонливость по утрам, а главное — уменьшить симптомы тревожности и выраженность депрессии. Кроме того, улучшились когнитивные показатели и показатели работоспособности. Всего этого испытуемые добились самостоятельно, плавно сдвинув на два часа подъем и отход ко сну, наладив питание и отказавшись от кофеина в вечернее время.

Так что если вы не радикальная сова, то стать чуть-чуть жаворонком и снизить воздействие социального джетлага на организм всё же возможно, хотя вставать в пять утра бодрым и готовым покорять горы вы вряд ли сможете.

Теперь, наконец, про идеальный хронотип. Идеальным можно назвать тот хронотип, при котором… вам комфортно живется и работается. Никакого другого секрета нет: организм, вернее — гены внутри наших клеток, регулирует наше желание спать и бодрствовать. Мы можем либо принять это, лишь немного сдвинув ритмы в ту или иную сторону, либо воевать с этим, да и то с переменным успехом.