Представьте, что у вас есть две лампочки одинаковой яркости: синяя и оранжевая. Когда в середине ночи вы включите оранжевую лампу, ее свет активирует опсины в красных и зеленых колбочках (опсин зеленых колбочек способен довольно неплохо чувствовать оранжевый свет, потому что оранжевый цвет располагается на краю красной части спектра рядом с зеленым) и мозг увидит предметы, которые находятся в комнате. Когда вы включите синюю лампу, активируются синие колбочки и вы увидите в комнате те же самые предметы. Однако меланопсинсодержащие клетки почти не отреагируют на оранжевый свет, который входит в красную часть спектра, и скажут мозгу, что сейчас ночь, а синий свет зарегистрируют как дневной. Так что, если вы проведете час при оранжевом свете, это не окажет на ваши циркадные часы почти никакого воздействия, но такой же час, проведенный при синем свете, заставит ваши часы перевести стрелки и показать, что наступило утро.

По мере того как меняются времена года и долгота дня, наши циркадные ритмы приспосабливаются к изменению времени восхода и захода солнца. Очень долго мы не имели ясного представления о том, как эти циркадные ритмы переходят на новое время восхода или заката и как на них влияет свет. Но наши исследования показали, что те же самые рецепторы голубого света переводят стрелки биологических часов человека, когда при смене времен года меняется долгота дня или когда мы пересекаем несколько часовых поясов. Кроме того, они прямо или косвенно связаны с участками мозга, которые контролируют депрессию, алертность, сон, производство гормона сна мелатонина, и даже с мозговым центром, контролирующим мигреневые головные боли.

У меланопсина есть еще одна особенность: для его активизации требуется очень много света. Например, если вы на несколько секунд откроете глаза в тускло освещенной комнате, то палочки и колбочки смогут воспринять изображение комнаты, но клетки, содержащие меланопсин, поведут себя так, словно вокруг слишком темно, чтобы что-то увидеть.

Эти открытия помогли нам составить первое представление о механизме воздействия света на здоровье. Современный образ жизни, при котором бóльшую часть времени мы проводим в помещении, уткнувшись в яркие дисплеи, и выключаем яркое освещение ночью, активирует меланопсин в неурочное время, что постепенно приводит к нарушению циркадных ритмов и сокращает производство гормона сна мелатонина. В результате мы теряем способность получать достаточное количество восстанавливающего сна. Если бóльшую часть дня мы проводим в помещении, то нам не удается согласовать свои циркадные часы с циклом день – ночь, так как тусклое искусственное освещение не способно в полной мере активировать меланопсин. Поэтому мы не можем стряхнуть сонливость и достичь необходимого уровня алертности. Через несколько дней или недель такой жизни у нас развивается депрессия или тревожность.

Сейчас, когда нам намного больше известно о том, как определенное количество, качество и длительность воздействия света может влиять на наше здоровье, мы начинаем осознавать, что внесение небольших изменений в технологию изготовления осветительных приборов, компьютерных дисплеев и очков может реально способствовать улучшению нашего здоровья.

В ходе дальнейших исследований мы получили новую информацию о наших внутренних часах. Все живые существа подвергаются воздействию неизбежного и предсказуемого изменения окружающей среды: день сменяется ночью. Неважно, где обитают эти существа: в пустыне, горах или тропических лесах. Неважно, жили они миллиард лет назад или живут сегодня. Для того чтобы справиться с этим предсказуемым ежедневным чередованием светлого и темного времени суток, почти каждый живой организм создал у себя внутреннюю систему выбора времени, или циркадные часы.

Каждый живой организм тратит 24 часа суток на:

● получение энергии (пищи);

● оптимизацию использования энергии, расходуя часть на поддержание повседневных функций, а часть сохраняя для последующего использования;

● защиту от вредоносных агентов и хищников;

● устранение повреждений или рост;

● размножение.

Все перечисленные функции управляются циркадными часами, которые оптимизируют способности организма к выполнению данных задач, выделяя для каждого из этих важнейших аспектов жизни наиболее подходящее время дня или ночи.

Растения подчиняются циркадным ритмам, которые отмеряют период, примерно равный 24 часам, и предсказывают время восхода и захода солнца. Это позволяет растениям получить оптимальное количество солнечного света и углекислого газа, необходимое для производства пищи. Растения поднимают листья за час-два до восхода солнца и активируют ряд генов, чтобы приступить к использованию света с первыми лучами солнца. В конце дня растения останавливают механизм сбора солнечного урожая за час-два до заката, чтобы не тратить лишние усилия на работу фабрики по производству пищи после наступления темноты. Когда наступает вечер, листья растений поникают, словно готовятся спать.

Кроме того, у растений есть суточные ритмы, которые указывают, в какое именно время им нужно цвести. Этот ритм растений согласован с ритмом опылителей – пчел и насекомых, которые питаются цветочным нектаром. Крупные травоядные, такие как коровы и верблюды, щиплют растения в светлое время суток, а мелкие грызуны лакомятся фруктами и овощами ночью, чтобы уберечься от хищников. Другими словами, растения используют свои циркадные часы, чтобы просыпаться, быть активными и питаться в самые безопасные периоды суток. Даже хлебная плесень нейроспора, растущая на других продуктах питания, имеет часы, которые указывают ей, в какое время суток она должна расти и производить новые споры. Ее функция образования спор согласована с временем суток, которое обеспечивает оптимальное рассеивание спор ветром.

Как вам известно из предыдущей главы, на первый взгляд может показаться, что этот тонкий механизм выбора времени контролируется светом. Однако генетические исследования позволили мне и другим ученым совершенно точно определить, как работают циркадные часы. Мы выяснили, что влияние, которое оказывает на них свет, не играет решающей роли и основной контроль над механизмом выбора времени осуществляется изнутри, генами.

Генетика циркадных часов

Тело человека состоит из миллионов клеток, специализированных по месту их расположения: разные клетки составляют разные части тела – от пальцев ног до головного мозга. При этом каждая из миллионов специализированных клеток содержит один и тот же геном, или всю наследственную информацию, полученную нами от родителей. Эта информация зашифрована в нашей ДНК, отдельные сегменты которой, являющиеся носителями данной информации, называются генами. Одни гены формируют наши видимые черты, такие как цвет глаз. От других зависят наши биологические характеристики, такие как группа крови и предрасположенность к отдельным заболеваниям, а также тысячи биохимических процессов, включая работу циркадных часов.

Эти процессы осуществляются разными видами белков. Одни белки называются ферментами и работают как строительные инструменты (дрель, молоток, стамеска и т. д.). Внутри каждой клетки ферменты занимаются множеством разных дел, например таких, как производство холестерина и расщепление жиров. Вторые белки служат структурными элементами клеток, как части вашего дома (стены, двери и т. д.). Третьи белки, мелкие, действуют как гормоны (хотя не все гормоны являются мелкими белками) – химические сигнальные вещества, контролирующие функции органов. Одни белки живут долго, в то время как у других продолжительность жизни невелика.

Состояние здоровья наших органов и развитие тех или иных заболеваний зависят от наличия у нас определенных генов и уровня их экспрессии: от того, включен ли конкретный ген и является ли он нормальным. Например, вы когда-нибудь замечали, что некоторые люди могут есть все, что хотят, в то время как другие жалуются, что некоторые продукты, чаще всего молочные, вызывают у них симптомы нарушения пищеварительных процессов, такие как газы, вздутие живота или запор. Причиной этого состояния становится мутация гена, помогающего расщеплять молоко и усваивать содержащиеся в нем питательные вещества.