Циркадный ритм - что это такое и как работает

Циркадный ритм - это система внутренних часов организма, которая с периодом около 24 часов управляет сном, бодрствованием, температурой тела, гормонами и обменом веществ. Слово происходит от латинского circa diem - «около дня», и именно в этом «около» скрывается главный парадокс: внутренние сутки человека не равны астрономическим.

В эксперименте, где добровольцы жили в полной изоляции от внешних сигналов времени, средний период часов составил около 24 часов и 11 минут (Czeisler et al., 1999). Одиннадцать минут ежедневного отставания - это почти 5,5 часов за месяц. Без подстройки ты ложился бы спать каждый день на 11 минут позже, и через две недели твой режим полностью рассинхронизировался бы с внешним миром. Организм решает эту проблему ежедневной калибровкой - главным образом, светом.

Молекулярная петля, которая тикает сутки

Внутри каждой клетки с ядром - а это почти все клетки тела, от нейронов до гепатоцитов печени, - работает молекулярный механизм, похожий на заводную пружину. Гены CLOCK и BMAL1 запускают производство белков PER и CRY. Эти белки накапливаются в течение дня, а накопившись, возвращаются в ядро и выключают собственные создатели. Через несколько часов они разрушаются, CLOCK и BMAL1 освобождаются, и цикл начинается заново. Один полный оборот - примерно сутки. За открытие этого механизма у дрозофил в 2017 году Джеффри Холл, Майкл Росбаш и Майкл Янг получили Нобелевскую премию по физиологии и медицине.

Часы есть почти в каждой клетке, но без ежедневной калибровки они рассинхронизируются с внешним миром на 11 минут в сутки.

Исключения существуют: зрелые эритроциты, потерявшие ядро, не имеют транскрипционных часов, хотя в них описаны метаболические ритмы, не зависящие от синтеза белка. Но для большинства тканей организма картина одинакова: внутри каждой клетки тикает собственный осциллятор.

Свет переводит стрелки

Главный дирижёр - супрахиазматическое ядро (SCN) гипоталамуса, скопление из примерно 20 тысяч нейронов. Оно получает информацию об освещённости напрямую от сетчатки - через особые клетки с пигментом меланопсином, которые реагируют на яркий свет, особенно синий спектр. SCN рассылает сигналы остальным часам тела, поддерживая общую синхронность.

Свет работает как кнопка перевода стрелок, и направление зависит от времени. Эксперименты с одиночными импульсами яркого света (около 10 000 люкс) показали: свет вечером и в начале ночи задерживает фазу - сдвигает внутренние часы на более позднее время. Свет ранним утром и после пробуждения продвигает фазу - переводит часы раньше (Khalsa et al., 2003). Днём, в середине светового дня, наступает мёртвая зона: свет почти не влияет на фазу.

Интенсивность имеет значение. Утренний свет на улице в ясный день достигает 30 000-100 000 люкс. В помещении даже у окна - всего 500-2000. Разница в десятки раз. Именно поэтому «посмотреть в окно пять минут» не эквивалентно прогулке: доза света слишком мала. А вечерний яркий экран, наоборот, попадает в зону задержки и отодвигает внутреннюю ночь. Как устроить световую среду правильно, разобрано в материале о световой гигиене.

Свет - не единственный настройщик. Физическая нагрузка тоже способна сдвигать фазу: утренние и дневные тренировки продвигают часы раньше, а вечерние задерживают, хотя эффект слабее, чем у света (Youngstedt et al., 2019). Оба сигнала работают в дополнение друг к другу, а не вместо.

Оркестр без абсолютного дирижёра

Наивная модель выглядит так: SCN - командир, все остальные часы - подчинённые. Реальность тоньше. Периферические часы в печени, кишечнике, жировой ткани и мышцах подчиняются не только сигналу от SCN, но и другим входам - прежде всего, времени приёма пищи.

У мышей ограничение кормления узким окном способно полностью инвертировать ритмы печени, игнорируя центральные часы (Damiola et al., 2000; Stokkan et al., 2001). У людей эффект мягче, но подтверждён: когда участников исследования перевели на приём пищи на 5 часов позже обычного, ритмы глюкозы в плазме и экспрессия гена PER2 в жировой ткани сдвинулись вслед за едой, при этом маркер центральных часов - мелатонин - остался на месте (Wehrens et al., 2017). Печень и жировая ткань начали жить по расписанию обеда, а мозг продолжал жить по расписанию света.

Центральные часы настраиваются светом. Периферические - ещё и едой. Когда два расписания конфликтуют, возникает внутренний десинхроноз.

Что из этого следует практически? Поздний ужин заставляет часы печени работать в «ночную смену», пока центральные часы уже готовятся ко сну. Организм находится в двух часовых поясах одновременно. Как режим питания влияет на клеточное обновление, разобрано в статье о суточном ритме клеток, а практические схемы питания и его связь с обменом энергии - в материале об интервальном голодании.

Кишечные бактерии тоже подчиняются расписанию: состав и метаболическая активность микробиоты меняются в течение суток, синхронизируясь временем приёма пищи. У мышей джетлаг вызывал дисбиоз, способствующий нарушению толерантности к глюкозе (Thaiss et al., 2016). Что известно о связи микробиоты и сна у людей, разобрано в статье Микробиом и сон.

Температура тела - один из выходов часов. Вечером она начинает снижаться, отводя тепло через расширение сосудов кожи рук и ног. Минимум достигается примерно за два часа до спонтанного пробуждения, после чего растёт, помогая проснуться. Этот спад тесно связан с инициацией глубокого сна. Как использовать температурные сигналы для улучшения засыпания, разобрано в материале о температуре тела и сне.

Почему «совы» и «жаворонки» разные

Хронотип - склонность ложиться и вставать раньше или позже - не каприз, а биологическая характеристика. У части людей с синдромом задержки фазы сна найдена мутация в гене CRY1, которая удлиняет период внутренних часов и сдвигает весь цикл на более позднее время (Patke et al., 2017). Это открытие показало: «совиность» может быть следствием более длинных внутренних суток.

Хронотип меняется с возрастом. Подростки и молодые взрослые демонстрируют пик «совиности»: их биологические часы естественным образом сдвигаются на более позднее время. К старости маятник возвращается в сторону утреннего типа. Опросник MCTQ Рённеберга, широко используемый в исследованиях, подтверждает эту траекторию на больших выборках.

Генетика объясняет лишь часть вариативности. Световая среда и образ жизни играют не меньшую роль. Хронотип - это предрасположенность, а не приговор: утренний свет сдвигает фазу раньше даже у выраженных «сов». И наоборот: вечерний экран усиливает совиность у тех, кто к ней и без того склонен.

Когда часы сломаны

Хроническое рассогласование внутренних часов с внешним расписанием - не просто дискомфорт. В 2019 году Международное агентство по изучению рака (IARC) классифицировало работу в ночную смену как «вероятно канцерогенную для человека» (Группа 2A) - на основе ограниченных данных у людей о раке молочной железы, простаты и толстой кишки, но достаточных доказательств на животных. Метаанализы связывают социальный джетлаг - разрыв между временем сна в будни и выходные - с повышенным риском ожирения и метаболического синдрома.

Важно разделять ассоциацию и причинность. Люди, работающие в ночные смены, чаще курят, меньше спят и питаются нерегулярно. Эти факторы смешиваются с эффектом самого десинхроноза. Но биологический механизм правдоподобен: когда часы печени не совпадают с часами мозга, метаболизм работает в режиме, к которому не приспособлен.

Отдельная категория - циркадные расстройства сна. Синдром задержки фазы (DSWPD) - это устойчивое, годами сохраняющееся отставание внутренних часов от социальных норм. Синдром опережения фазы (ASWPD) - обратная ситуация. Синдром non-24 - полное рассогласование с 24-часовым циклом, характерное для слепых людей, чьи часы не получают световую калибровку. Диагноз ставится не по ощущениям, а по данным: дневник сна минимум на 7 дней, актиграфия и, при необходимости, измерение DLMO - момента начала выработки мелатонина в слюне при тусклом свете.

Для бытовых проблем с ритмом основа - свет, режим и качественный сон. Если ты просыпаешься с ощущением, что не отдохнул, дело может быть не только в часах, но и в кортизоле и сне или в действии вечернего кофеина. А аденозин - вторая половина уравнения, отвечающая за накопленную потребность во сне, - разбирается отдельно.

Когда сбой ритма устойчиво мешает жизни - не засыпается до трёх ночи, будильник не помогает, дневная сонливость не проходит - это повод обсудить ситуацию с сомнологом. Самостоятельно «лечить» фазовую задержку гигиеной сна, когда она держится годами, - как лечить перелом обезболивающим. Пошаговые схемы собраны в протоколе сна.

Материал носит ознакомительный характер и не является медицинской рекомендацией. При наличии заболеваний проконсультируйся с врачом.

Список научных источников

• Czeisler C.A. et al. Stability, precision, and near-24-hour period of the human circadian pacemaker. Science. 1999.
• Damiola F. et al. Restricted feeding uncouples circadian oscillators in peripheral tissues from the central pacemaker in the SCN. Genes & Development. 2000.
• Khalsa S.B.S. et al. A phase response curve to single bright light pulses in human subjects. The Journal of Physiology. 2003.
• Patke A. et al. Mutation of the human circadian clock gene CRY1 in familial delayed sleep phase disorder. Cell. 2017.
• Stokkan K.A. et al. Entrainment of the circadian clock in the liver by feeding. Science. 2001.
• Thaiss C.A. et al. The microbiome and the circadian clock. Science. 2016.
• Wehrens S.M.T. et al. Meal timing regulates the human circadian system. Current Biology. 2017.
• Youngstedt S.D. et al. Human circadian phase-response curves for exercise. The Journal of Physiology. 2019.