Текст книги "Время в нас и время вне нас"

Автор книги: Наталья Моисеева

сообщить о нарушении

Текущая страница: 8 (всего у книги 11 страниц)

Время с точки зрения биолога

Академик В. И. Вернадский, геохимик, создавший учение о живом веществе и показавший роль живого в формировании поверхностного слоя Земли, уделял большое внимание вопросам структуры времени. Он считал, что времени должно отвечать свое пространство и что одно от другого зависит.

Изучая строение живого и убеждаясь в правоте тех исследователей, которые показали, что живому свойственна структурная асимметрия[36]36
  Асимметричное строение молекул в неживом обнаружено только в угле и нефти – остатках живого.


[Закрыть], В. И. Вернадский высказал предположение, что и время в живом должно обладать асимметрией, отличаясь от времени неживой природы. Соответственно им было выделено понятие биологического времени, под которым он понимал «время, связанное с жизненными явлениями, вернее, с отвечающим живым организмам пространством, обладающим диссимметрией». При этом живой организм существует одновременно в двух разных мирах – в мире ньютоновской классической механики и в микромире с законами квантовой механики.

Свойства биологического времени таковы: векторность и явная диссимметрия (направление времени от прошедшего к будущему); скрытая асимметрия, проявляющаяся в явлениях повторяемости (ритме); множественность; неравномерность.

Поскольку первое из этих свойств не требует специальных пояснений, а второе будет рассмотрено подробно далее, остановимся на не явном свойстве биологического времени – его множественности. Живые системы существуют одновременно и как индивидуальные особи, и как единицы, составляющие стаю, улей, муравейник, род, вид и т. п. И если для каждой особи существует физическое время (уравнение движения), каталитическое время (необходимое для описания ферментативных реакций), время клеточного деления, время индивидуального развития, то для объединения индивидов той или иной формы уже существует время генерации и эволюционное время. Организм должен отмерять время согласно достаточно сложной системе отсчетов, поскольку разные процессы в организме текут в разных масштабах времени.

Скорость течения биологических процессов позволила выделить следующие пять классов:

молекулярные, протекающие от миллионных долей секунды до одной секунды;

физиологические, протекающие от сотых долей секунды до часа;

онтогенетические, охватывающие часть жизненного цикла и длящиеся месяцы и годы;

исторические, охватывающие жизнь нескольких поколений, но не влекущие за собой изменение форм жизни;

эволюционные, протекающие миллионы лет, при которых происходит не только смена поколений, но и смена форм жизни.

Биологический объект, рассматриваемый как обособленная система, кроме набора процессов, протекающих с разной скоростью, обладает еще каким-то индивидуальным {собственным, биологическим, физиологическим) временем жизни Т, которое составлено из времени последовательных онтогенетических процессов – фаз развития данного объекта (например, для растения – фаза зерна, прорастания, колошения, цветения и т. д.). Рассматривая каждую такую фазу как элемент времени, исследователи разделяют состав (выделенные элементы) и строение (последовательность выделенных элементов) времени.

В природе наблюдаются явление хронополиморфизма – существование качественно тождественных объектов, обладающих разным по составу и (или) строению временем Т, и явление хроноизоморфизма – существование различных объектов, обладающих одинаковым по составу и строению временем Т.

Что касается свойства неравномерности течения времени, оно течет по-разному в одном и том же организме в зависимости от возраста или условий внешней и внутренней среды. Так, раны заживают быстрее в молодости, скорость рубцевания с возрастом убывает. Соотношение скорости роста с продолжительностью жизни представляет собой логарифмическую функцию. Таким образом, возраст является органическим и функциональным состоянием и должен измеряться ритмом изменений этих состояний. В различном возрасте нужно неодинаковое количество физического времени для того, чтобы была проделана одинаковая физиологическая работа. Секунда жизни старого организма значительно беднее физиологическими процессами, чем секунда времени молодого организма, а значит, физическое время течет быстрее у старого организма, чем у молодого. Соответственно, один год пятилетнего ребенка (равный для него 1/5 его жизни) проживается в десять раз дольше, чем один год пятидесятилетнего человека (равный для него 1/50 его жизни). Точно так же психологическое восприятие времени сводится к тому, что время медленнее всего течет в начале жизни, когда происходит максимальное число событий. Считается далее, что длительность отсчитываемых организмом интервалов времени зависит от интенсивности обмена веществ, которая меняется на различных этапах роста и развития.

Исходя из положения, что содержанием времени существования являются значимые биологические события, подсчитано, сколько сердечных циклов имеет место на протяжении жизни представителя определенного вида животных. Так, свинья, лошадь и лев «переживают» около 800000000 сердечных сокращений; мышь и корова, крыса и собака – около 900000000; кошка – около 1350000000; человек —4350000000, то есть примерно в четыре раза больше, чем остальные животные. Число сердцебиений при этом никак не переводится в годы жизни, так как это биологическое событие у всех видов идет с разной скоростью и у одного и того же вида индивидуальная скорость меняется с возрастом. Особенно четко переменная скорость биологических процессов выявляется при исследовании роста организма, у которого в процессе онтогенеза происходит попеременно то рост (увеличение массы), то развитие, что разрешало сформулировать закон гетерогении, или аллометрического роста. Этот факт хорошо известен в животноводстве. Скот откармливают не все время, а только в те периоды, когда он набирает живой вес.

Кроме того, имеется соотношение между скоростью протекания органического времени и размерами организма, а также между скоростью протекания времени и ступенью филогенетического развития. У животных оно течет быстрее, чем у растений. У млекопитающих быстрее, чем у пресмыкающихся, у теплокровных быстрее, чем у хладнокровных.

Теперь рассмотрим очень важное свойство биологического времени – его ритмичность, связанную с особенностями течения процессов внешней среды.

Невидимые ритмы содержатся в большинстве явлений природы, в том числе в процессах в живых организмах, хотя эти явления и процессы кажутся нам просто текущими в каком-то направлении. Ритмический характер жизни на Земле именно потому не замечается, что является совершенно обыденным.

Каждые сутки Земля поворачивается вокруг своей оси, вызывая ритмическую смену дня и ночи, ритмически меняются времена года, электромагнитные поля, давление воздуха и многое, многое другое. Функции живых организмов, приспосабливаясь к жизни на ритмической планете в процессе эволюции, в свою очередь стали протекать ритмически.

Люди и животные, рыбы и моллюски соблюдают суточный– циркадный (circa – около, dies – день) ритм смены сна и бодрствования, смены активности и отдыха. Все животные, от слона до бабочки, отдыхают раз в двадцать четыре часа. С помощью замедленной съемки можно видеть циркадность в жизни растений: открытие и закрытие цветов, подъем и сворачивание листьев, так сказать, суточный танец в заданном ритме. Заданном настолько точно, что Карл Линней, расположив определенные сорта цветов в секторах круглой клумбы, создал свои знаменитые цветочные часы.

Большое число показателей жизнедеятельности организма человека – температура тела, кровяное давление, частота пульса и дыхания, результаты психологических проб, уровень сахара в крови, различных аминокислот, белков, элементов крови – словом, всего, что исследовано (а исследовано свыше сотни показателей), меняется циркадно. И хотя внешне человек как будто один и тот же на протяжении одного дня, он, как правило, чувствует себя несколько по-разному в разные часы суток, сменяется его настроение, он с разным успехом выполняет физическую и умственную работу. Симптомы различных заболеваний проявляются чаще в определенные часы суток, даже рождение человека происходит, как правило, не днем или вечером, а ночью или под утро.

Циркадные ритмы являются очень важным, но не единственным периодическим явлением. Ритмов с различными периодами (как больше, так и меньше циркадных) очень много. Они существуют параллельно, как бы встроены друг в друга согласно присказке:

Если подумать немножко,

Ритмы – просто матрешка,

И нет матрешке конца

В оба конца.

Ритмическая активность обнаружена уже в единичной клетке, причем оказалось, что предельно трудно нарушить ход клеточных часов, не убив при этом клетку. Деятельность этих часов основана на том, что в клетке происходят постоянные динамические изменения, связанные с процессами обмена и получения энергии. Одни содержащиеся в клетке вещества постоянно распадаются, а другие синтезируются, в результате чего существуют незатухающие колебания их концентраций.

Сложные биохимические процессы, лежащие в основе структуры и функции клетки и организма в целом происходят не одновременно и их скорости не постоянны. Все эти процессы согласованы между собой во времени таким образом, что возникает некий ритм их чередования– повышение и понижение интенсивности каждого из них.

Существует целый спектр ритмических процессов, имеющих различные периоды и образующих в организме сложную и хорошо организованную временную структуру. Эта временная структура касается не только ритмики высокой частоты и суточной ритмики, представления о которых уже довольно хорошо разработаны, но и ритмики многодневной, многомесячной, многолетней, которая в настоящее время все более пристально изучается.

Кроме ритмических явлений в отдельных организмах существуют ритмические явления популяции в целом – сложной мультииндивидуальной системы, само существование которой определяется многоплановой иерархической организацией интерперсональных отнесений, будь то муравейник, пчелиный улей или само человеческое общество. К числу таких циклических явлений относятся эпидемии, а некоторые исследователи причисляют к подобным явлениям также революции и каины.

Классификация ритмической активности организма и основные свойства ритмов даны в таблице 3. Как видно из таблицы, существует широкий спектр ритмов. Их изучением занимается наука, в равной мере очень старая и очень новая, – хронобиология. Цель ее исследований– изучение временной структуры организма. На сегодня установлены длительность циклов различных видов активности, некоторые стационарные соотношения между ритмами. Так, например, у здорового человека отношение ритма работы сердца к ритму дыхания составляет 4:1.

Обнаружено, что временная организация живой системы осуществляется, с одной стороны, путем поддержания соответственных частот колебаний некоторые компонентов, с другой – путем поддержания соотношения фаз колебаний этих компонентов.

В организме, по-видимому, должен существовать определенный временной порядок, который может претерпевать изменения только в некоторых пределах. В противном случае могут возникать последствия, пагубнее для организма.

Наиболее хорошо изучена циркадная временная структура организма, которая рассматривается как аспект функциональной интеграции индивида, его общая характеристика, напоминающая синхронизацию в физическом смысле слова, то есть это частотная синхронизация, а не прямое совпадение во времени подъемов и спадов. Циркадное поведение организма не является строго лимитированным и заключается в повторении сходных событий в определенной последовательности через близкие по длительности интервалы времени, а не в повторении точно тех же событий через точно фиксированные периоды.

Значительные усилия ученых были потрачены на то, чтобы найти способ уничтожить ритмическую последовательность функций, но оказалось, что такая задача нереальна. Напрасно меняли температуру, освещенность, режим питания, разрушали различные участки мозга животных, лишали их зрения, замораживали и т. п. Даже извлеченные из тела органы продолжают функционировать в искусственных условиях с циркадной периодичностью. Единственное, что удается, – это изменить период, передвинуть пик активности для той или иной функции человека или животных путем изменения, например, освещенности или режима сна. Так, например, выделение гормона роста падает у человека на ночное время и соответствует моменту так называемого медленноволнового сна. Если же человек уснет днем, то и тогда происходит выделение гормона роста.

Хотя ритмы являются врожденными и в большой мере генетически обусловленными, в момент рождения циклическая активность, во всяком случае у человека, не является полностью сформированной. Циркадная организация формируется в организме после рождения преимущественно за счет перехода более высоких частот к более низким, то есть за счет превращения ритмов с часовыми периодами в циркадные – околосуточные. Как известно, ребенок имеет цикл сон – бодрствование весьма отличный от взрослого. Требуется длительное время для формирования этого цикла. И не только для него, но и для других циркадных ритмов.

Известную роль в этом процессе, может быть, играет ритмическое воспитание: регулярное кормление и прогулки, ритмические движения качания, ритмическая музыка, которые так нравятся детям. Но, вероятно, воспитание не так уж обязательно. Без всякого воздействия матери из яиц, высиженных в инкубаторе, появляются птицы и ящерицы с обычными ритмами. И даже когда несколько поколений крыс воспитывается в условиях постоянного яркого света, ритм сон – бодрствование и другие циркадные ритмы у них все равно формируются.

Циркадные ритмы описаны для очень большого числа функций, например для вкусовой и обонятельной чувствительности (обостряется в период от 17 до 19 часов, примерно ко времени обеда), для усвоения различных видов пищи (максимум для всех видов в районе утреннего завтрака), для реакции страха. У человека при возникновении этой реакции выделяется большое количество адреналина, а пик выделения адреналина в обычном суточном ритме наблюдается между четырьмя и восьмью часами утра. Поэтому так страшны на войне ночные атаки.

Чрезвычайно важным фактором является циркадность чувствительности к внешним вредоносным воздействиям. Способность противодействовать вредоносному агенту и как следствие этого способность выжить зависят от того, в какую фазу временной организации организма этот агент был предъявлен. Максимум чувствительности по отношению к одному какому-то воздействию может совпадать с высокой сопротивляемостью другому. Так, когда крысам в полночь ввели смертельную дозу токсического препарата, умерло 77 процентов животных, та же доза, но введенная в 6 часов утра, оказалась гибельной только для 6 процентов.

У людей обнаружено колебание чувствительности к введению вакцин и сывороток. Вакцинацию надо проводить утром. Реакций на прививки против энцефалита в 8—10 утра не бывает, а в 19–20 часов регистрируются те или иные неприятные ощущения. Также непостоянна чувствительность человека к кислородному голоданию. Пилоты во время тренажа в 3 ночи легче переносят пониженное содержание кислорода в воздухе, чем в 15 часов.

Соответственным образом варьируется и чувствительность к воздействию лекарственных веществ, что начинает учитываться врачами. Делаются попытки повышения и понижения дозировок лекарств в связи с периодичностью той или иной функции организма, на которую стремятся оказать корригирующее воздействие. На основе исследования циркадных ритмов различных функций подбирают время оказания лечебных воздействий. Такой подход называется хронотерапевтическим.

При хронотерапии не меняются ни применяемые лекарственные средства, ни их дозировка. Но вместо того чтобы принимать лекарства по стандарту три раза в день, больной принимает их только в то время, когда имеются наиболее выраженные отклонения значений функций от нормы.

Для того чтобы выяснить, когда на данного больного следует оказать лечебное воздействие, проводится исследование суточных ритмов основных физиологических параметров (частоты сердечных сокращений и дыхания, артериального давления, температуры тела и т. д.), вычерчиваются соответствующие суточные кривые, рассматривается, в какие часы значение каждой из функций наиболее отклоняется от нормального, подсчитывается, сколько раз наихудшее состояние по тем или иным параметрам приходится на то или иное время, и выбирается тот момент (или те моменты), когда организм наиболее нуждается в поддержке.

Так, например, у больных, страдающих гипертонической болезнью, как правило, цифры кровяного давления при измерении в 8 часов утра соответствуют норме или даже могут быть несколько ниже нормы, в 12 часов дня эти цифры оказываются значительно повышенными, но снижаются к 16 часам, а в 20 часов и особенно в 24 часа достигают максимальных значений. При обычном способе приема лекарств больные получают средства, понижающие давление, в 8, 14 и в 18–20 часов. Таким образом, они принимают препараты в то время, когда в них не нуждаются (8 и 14 часов), и не принимают в моменты максимального повышения давления. Проведение исследования ритмов кровяного давления дает возможность определить для каждого конкретного больного то время, когда он наиболее нуждается в снижении давления (чаще всего это 20 и 24 часа, но бывают случаи, когда больному следует дать препараты 2 или 3 раза).

Если в условиях клиники хронотерапия помогает определить время, когда нужно оказать помощь больному, то на курорте она должна дать ответ на вопрос: когда можно ее оказывать? Сильнодействующие физические методы лечения (ванны, грязи и т. д.), приуроченные к моментам наихудшего состояния, могут вызвать тяжелые осложнения. Так, например, больным, страдающим атеросклерозом, солено-хвойные ванны следует принимать после 15–16 часов, а не в утренние часы, когда они ухудшают состояние.

Необходимо также иметь в виду, что анализы, проведенные не только в разные сезоны и разные дни недели, но и в разное время суток, дают различные (а иногда и прямо противоположные) результаты.

Существует точка зрения, что способность организма отсчитывать время тесно связана с ритмической активностью регулирования обмена энергии, поддерживающего жизнь. Однако для обеспечения любой ритмической активности необходимы либо какие-то датчики времени в самом организме, либо датчики времени во внешней среде, сигналы которых воспринимаются организмом, который «подстраивается» к заданному ритму. Датчики времени организма исследователи ищут в первую очередь в центральной нервной системе. Так, создатель кибернетики Н. Винер в 1958 году высказал гипотезу о том, что биологические часы заключены в узком диапазоне частоты ритма мозга около 10 колебаний в секунду (альфа-ритм). Эта гипотеза не получила поддержки, поскольку существует достаточно большое число людей, у которых этот ритм полностью отсутствует. Кроме того, частота альфа-ритма очень зависит от температуры тела, а значит, наши часы будут врать при ее перемене, что, кстати, действительно имеет место – при повышении температуры меняется скорость процессов и восприятие времени.

Поиски ритмов мозга, могущих играть роль «единиц времени», в которых протекают события в центральной нервной системе, активно продолжаются, пытаются обнаружить корреляцию времени реакции на раздражения с определенным периодом волн. В опытах по произвольному контролю темпа движений показано, что в организме, по-видимому, существует набор интервалов, в соответствии с которыми осуществляется автоматическое управление.

Большую роль в отсчете времени организмом играют ритмические процессы – сердечные сокращения, дыхательные циклы, циклы деятельности желудочно-кишечного тракта, а также циклы обмена веществ.

Что касается возможных датчиков времени из внешней среды, сигналы которых воспринимаются организмом, наибольшее значение, особенно в происхождении циркадных ритмов, придается внешним факторам, связанным с вращением Земли. Смена дня и ночи, температурные изменения, изменения влажности и т. д. определяют способы существования на Земле. Не исключены также возможности прямого воздействия вращения Земли на организм, влияния вариаций постоянно существующего магнитного поля Земли, как бы создающего для живых существ пространственно-временную решетку. Хотя атмосфера и магнитные поля защищают Землю от космической радиации, эта защита не абсолютна. Вариации слабых космических воздействий могут иметь некоторое значение как датчики времени. Наконец, значительную роль для человека играют социальные датчики времени – режим труда и отдыха, а также необходимость действовать, когда надо, и спать, когда придется.

По всей вероятности, биологические ритмы находятся в зависимости от датчиков времени как самого организма, так и внешней среды, и отсчет времени организмом осуществляется с помощью сложной системы, в которой экзогенные и эндогенные влияния переплетены самым тесным образом.

В случае рассогласования сигналов различных датчиков времени происходит изменение временной структуры деятельности организма, постепенно приспосабливающегося к новым условиям. Процессы адаптации могут протекать незаметно, если изменение временной среды не было резким, или сопровождаться неприятными ощущениями, в частности утомлением, нарушением сна, если это изменение было внезапным и значительным.

В современном цивилизованном мире люди больше не живут в нормальном ритме относительно медленного времени природы. Стремление сберечь время влечет за собой передвижения с головокружительной скоростью. Появляются такие виды профессиональной деятельности, которые протекают в условиях изменения воздействий временной среды. Возможны и реально существуют следующие виды изменения временного порядка в организме.

Сдвинутые режимы сна и бодрствования. В случае работы в ночную смену (так же, как и при ночных развлечениях) временной порядок в организме и во внешней среде входит в противоречие с социальными датчиками времени. Наступает нарушение синхронизации между различными ритмами, оно постепенно сглаживается, если человек постоянно переходит на новый режим жизни.

Внезапное изменение временной среды при перелетах с пересечением нескольких часовых поясов ведет к рассогласованию сигналов датчиков времени организма, живущего еще по локальному времени того пункта, из которого начат полет, датчиков времени внешней среды и социальных датчиков времени пункта прибытия. Перестройка на новый режим начинается для различных ритмов в разное время после прилета и длится также различное время. Так, адаптация температурной кривой и сердечного ритма происходит на пятые сутки, потоотделения– на восьмые и т. д.

Опытные пилоты стремятся вообще не перестраиваться на местный режим и соблюдают режим сна того часового пояса, в котором живут постоянно. Одна из английских авиакомпаний на основании специальных исследований работоспособности летного состава после перелетов с пересечением часовых поясов ввела правило, согласно которому за двадцать восемь летных суток пилот может пересечь не более сорока часовых поясов.

Изменение структуры сигналов датчиков времени внешней среды существует в некоторых точках земного шара, где тем не менее живет и работает большое число людей. Это Арктика и Антарктика. Здесь в течение длительных периодов времени сохраняется постоянная освещенность (или неосвещенность), значительно отличаются от более низких широт температурные условия, влажность, давление, магнитные поля Земли и даже скорость вращения точек земной поверхности, как известно, убывающая к полюсам.

У полярников возникают жалобы на недомогание и объективно устанавливаются расстройства различных функций организма, в том числе эндокринных. Трудно сказать, в какой мере в этих расстройствах повинны нарушения временных отношений в организме, но, по всей вероятности, известную роль они играют.

Изоляция от датчиков времени внешней среды постепенно становится уделом лиц редких профессий, например космонавтов, акванавтов, спелеологов.

Пребывание в космосе протекает в форме групповых полетов с сохранением обычного режима дня, то есть с сохранением социальных датчиков времени. Небольшая длительность пребывания вне Земли не позволяет судить о влиянии полного выключения всех земных датчиков времени. Основной циркадный ритм «сон – бодрствование» сохраняется. При групповом погружении акванавтов (обычно вместе с домом, в котором они живут под водой опять-таки по обычному расписанию, то есть с сохранением социальных датчиков времени) особых сдвигов биоритмов не обнаружено, за исключением некоторого увеличения длительности сна.

Значительные изменения циркадных ритмов выявлены у спелеологов, находившихся глубоко под землей в одиночестве. Аналогичные сдвиги отмечаются у испытуемых, помещенных в изолированные камеры. В обоих случаях имело место выключение социальных датчиков времени и общая сенсорная депривация – выключение внешних раздражителей.

В этих условиях возникает так называемое свободное течение циркадных ритмов с периодом (особенно для цикла сон – бодрствование) не около 24, а около 25 часов. При этом взаимосвязи между ритмами закономерно меняются.

Различные функции организма могут рассматриваться как согласованные циркадные осцилляторы, способные менять свои фазовые отношения в зависимости от условий. Общие закономерности ритмического течения функций едины для всего живого, но не только каждый вид, но и каждый индивидуум имеет собственную временную решетку и собственные адаптационные возможности, которые иногда оказываются недостаточными. Тогда наступает рассогласование деятельности внутренних осцилляторов, что означает болезнь. Это нарушения различных видов обмена, температурной кривой – словом, все то, что носит название эндокринно-вегетативных расстройств.

Достижения медицины последних лет столь фантастичны, что возникают еще более фантастические проблемы. Так, пересадка органов, в частности сердца, заставляет задуматься о временных отношениях между организмом реципиента и сердцем, взятым за какой-то более или менее длительный срок до пересадки от человека неизвестной временной структуры.

Широко распространено деление людей на «сов» и «жаворонков», имеющих свой пик активности и продуктивно работающих ночью или ранним утром. По всей вероятности, у этих двух типов людей большинство ритмов имеет значительный сдвиг по фазе. Они не только психологически несовместимы. Попытка пересадки органов от представителя одного типа представителю другого скорее всего окончится неудачей.

Доказано, что изолированное сердце животного по-разному реагирует на введение препаратов в зависимости от того, в котором часу оно было извлечено, то есть в зависимости от того, на какой фазе обменного или какого-то другого цикла оно было помещено в искусе г-венные условия. Соответственно надо «попасть в фазу» при перенесении сердца из одного организма в другой.

К сожалению, трудности не исчезают даже тогда, когда производится пересадка искусственных органов, не имеющих «собственного времени», но зато не способных подстроиться к индивидуальным особенностям организма.

Искусственные органы рассчитаны на работу в каких-то вероятных условиях, но не в данных конкретных условиях, особенности которых просто невозможно предугадать и рассчитать. Как искусственный орган, так и чужой пересаженный орган могут осуществить и осуществляют поддержание соответственных частот собственных колебаний, что является первым условием существования. Камнем преткновения является второе условие – поддержание соотношений фаз колебаний различных органов и систем организма.

В заключение можно сказать, что циркадная временная структура, по-видимому, является одним из механизмов адаптации организма к постоянным повторяющимся воздействиям внешней среды, на которые организм не реагирует, а скорее «принимает к сведению», выверяя с их помощью начало отсчета различных циклов.