Чтобы следить за изучаемыми ритмами, необходимо располагать аппаратурой для регистрации цикла «сон — бодрствование», изменений температуры тела и т. д., а также клиническими возможностями определения физиологических функций. И при этом нужно изучать изолированного индивидуума, чтобы реакции одного человека не сказались на поведении другого.
Любознательные люди давно пробовали изучить цикл «сон — бодрствование» у человека. Натаниел Клейтман, специалист по физиологии сна, и Брюс Ричардсон из Чикагского университета в 1938 году закрылись в одном из отсеков Мамонтовой пещеры в Кентукки. Целью эксперимента было выяснить, сможет ли каждый из них приспособить свои внутренние часы к ритму, отличающемуся от суточного. Они провели в пещере тридцать два дня, стараясь привыкнуть к 28-часовому циклу, состоящему из 19 часов активного состояния и 9 часов сна. Ричардсон, которому было двадцать три года, уже к концу первой недели успешно перевел свои часы на новое расписание, а Клейтман, старше своего товарища лет на двадцать, так и не смог приспособиться.
Для того времени это было весьма интересным исследованием, но в сравнении с современным оборудованием Мамонтова пещера похожа на «темный домик» Гарнера и Алларда в сравнении с фитотроном в Канберре (см. рис. 22–23).
Оборудование для изучения ритмов у человека трудно в изготовлении и дорого в эксплуатации. Поэтому неудивительно, что существует оно пока в единственном экземпляре. Это «Тир-Бункер», размещенный в Институте физиологии поведения имени Макса Планка.
Непосредственный интерес Ашоффа к изучению ритмов человека стимулировали исследования, проведенные им на зябликах. Но задолго до этого он занимался изучением ритмов двигательной активности мышей в условиях постоянного освещения и постоянной темноты. Многочисленные эксперименты привели его к созданию гипотезы, известной под названием «правило Ашоффа». Согласно этой гипотезе, с увеличением интенсивности постоянного освещения длительность периода активности дневных животных сокращается, а ночных — увеличивается. Это правило неоднократно подтверждали многие исследователи на самых разных животных. Подтвердил его в экспериментах с зябликами и сам Ашофф. «Стрелками часов» ему служила двигательная активность зябликов — перепархивание с одной жердочки на другую (оно автоматически регистрировалось цифропечатающими счетчиками). Вот результаты типичного эксперимента Ашоффа:
1. Привыкание к условиям чередования 12 часов света и 12 часов темноты. Время активности совпадало с периодом освещения: включение света — птицы начинали перескакивать с одной жердочки на другую, выключение — птицы успокаивались.
2. 27 дней свободного течения ритма при непрерывном слабом освещении (освещенность 0,4 люкса). Первые два дня птицы начинали свою активность в то же время, что и раньше. Но затем это начало смещалось на более позднее время, так что при свободнотекущем ритме их часы отставали примерно на час.
3. Повторение условий чередований 12 часов света и 12 часов темноты в течение 15 дней. Отставание во времени прекратилось, и возобновился 24-часовой цикл.
4. Свободное течение ритма при непрерывном ярком освещении (освещенность 120 люксов). Период активности птиц начинался с каждым днем немного раньше, их часы теперь спешили почти на два часа в день.
Такая последовательность в поведении птиц подтверждает правило Ашоффа, а именно что дневные животные имеют свободнотекущий ритм с большим периодом при слабом освещении и меньшим — при ярком.
Но что гораздо важнее, эти эксперименты четко и убедительно доказали, что у зяблика есть внутренние часы, «стрелки» которых могут быть переведены в результате изменения режима освещения. Их можно было по желанию заставить идти точно, ускорять или замедлять.
Располагая этими результатами, Ашофф решил выяснить, как будут вести себя в контролируемых лабораторных условиях внутренние часы человека и действительно ли они эндогенны по своей природе.
Он отлично знал, что у человека хорошо развито чувство времени. Так, человеку ничего не стоит проснуться в определенное время, если с вечера он твердо решил сделать это. Известно также, что у людей, работающих посменно, наблюдается подъем и падение производительности труда; минимум его приходится на 3 часа ночи: в это время наибольшее число ошибок и несчастных случаев.
Что стоит за всем этим?
Программу научных исследований ритмов человека Ашофф рассчитал на длительный срок. Первым помещением для изолирования испытуемых служила звуконепроницаемая операционная, оставшаяся со времен второй мировой войны. Здесь были получены предварительные результаты, которые воодушевили исследователя на создание более надежного помещения — Тир-Бункера.
Испытуемые живут в этом бункере три-четыре недели в полной изоляции. Рядом с удобной комнатой, совмещающей гостиную и спальню, находятся душевая и маленькая кухня, где испытуемый готовит себе еду. «Мы просим его, — объясняет Ашофф, — вести «размеренную» жизнь: есть три раза в день, в обычной для него последовательности, не валяться после обеда и проводить несколько психологических испытаний. Все остальное время он может делать, что хочет. Чаще всего испытуемыми бывают студенты. Их любимое занятие — прослушивание музыкальных записей».
Измерения активностей и физиологических показателей испытуемых регистрируются за пределами бункера. Эта регистрация включает непрерывную запись температуры тела с помощью ректального зонда, запись характера активности, попытки испытуемого определять длительность промежутка времени в 20 секунд и в один час, его движения во время сна. Для обеспечения полнейшей изоляции вход в бункер снабжен двойными дверьми с магнитным замком, которые могут открываться лишь поочередно. В небольшом тамбуре между дверьми стоит холодильник для краткосрочного хранения мочи. Общение испытуемого с внешним миром осуществляется только с помощью записок, оставляемых им в определенном месте. Там же он получает свежий запас пищи.
Экспериментаторы открывают дверь в совершенно неопределенное время, так что из их действий нельзя сделать никаких выводов относительно времени суток. Испытуемый сам гасит свет, когда ложится спать, и зажигает его, когда просыпается и встает. Но интенсивность освещения устанавливается извне. Испытуемым позволено лишь регулировать температуру в бункере, поскольку Ашофф обнаружил, что небольшие изменения этого параметра не оказывают заметного влияния на результаты.
В таких тщательно контролируемых условиях все испытуемые обнаруживают четко выраженные циркадные ритмы. Это ритмы «сон — бодрствование», изменения температуры тела, выделения мочи (по объему и содержанию кальция и калия). Ритмы всех этих функций не вполне совпадали по фазе, но в среднем длительность периода при свободном течении ритма составляла 25 часов, то есть свободнотекущие часы человека отставали на час в сутки.
Рис. 53. Ю. Ашофф (слева) и К. Питтендрай в период работы над статьей по биологическим ритмам для трехтомного издания «Основ космической биологии и медицины».
Первым испытуемым был сам Ашофф. После выхода из бункера он сделал следующую запись:
Волнения первых двух дней в бункере по поводу «истинного» времени сменились потерей всякого интереса к этому вопросу и чувством полного комфорта жизни без времени. Результаты экспериментов с животными подготовили меня к тому, что мой собственный цикл должен быть короче 24 часов. Поэтому я весьма удивился, когда узнал, что в последний, десятый, день проснулся в 3 часа дня.
По «утрам» мне было очень трудно решить, достаточно ли долго я спал. На восьмой день я встал, проспав всего три часа. Сразу же после завтрака я записал в своем дневнике: «Что-то не так. Чувствую себя как на вахте». И опять лег; начал я свой день заново только после того, как проспал еще часа три. Судя по кривой температуры тела, мой первый подъем как раз совпадал с наихудшей для бодрствования фазой циркадного цикла, то есть с точкой наименьшей температуры тела. Волевое усилие ввело меня в заблуждение, а мои физиологические часы все поставили на место.