Представьте, что тело человека – это дом, где каждый орган является отдельной комнатой со своими собственными часами. Часы в спальне говорят вам, когда ложиться спать и просыпаться, часы в кабинете сообщают, когда нужно работать, часы на кухне подают сигнал к приему пищи, часы в ванной указывают… В общем, вы поняли. Сегодня мы знаем, что часы в животе показывают оптимальное время для выработки гормонов голода или сытости, для секреции желудочного сока, для подготовки микробиома кишечника к выведению отходов через прямую кишку. Часы в поджелудочной железе указывают время для увеличения и уменьшения выработки инсулина. Аналогичным образом действуют часовые механизмы в мышцах, печени и накопленных нами жировых тканях, каждый из которых занимается регуляцией функций соответствующего органа.

Я вывел свое исследование за пределы изучения генов циркадных часов, чтобы узнать, есть ли разница между тем, как эти часы регулируют трекер сна в мозге, и тем, как они контролируют метаболизм в печени. В то время как другие исследователи сфокусировались на том, как дюжина часовых генов в мозге и печени включается и выключается в разное время, моя команда забросила сеть шире и проверила, какие еще из более чем 20 тысяч генов в нашем геноме включаются и выключаются в разное время в разных органах. Мы начали это исследование в 2002 году, используя новейшую геномную технологию, и в ходе исследования, которое все еще продолжается и принимает все более разнообразные и изощренные формы, мы установили, что в каждом органе есть тысячи генов, которые включаются и выключаются в разное время строго скоординированным образом.

У каждого гена в нашем геноме есть свой циркадный цикл. Однако они не запускают эти циклы одновременно, а некоторые делают это только в одном органе. Иначе говоря, в нашем геноме хранится скрытый временнóй код для каждого вида ткани. Например, мы знаем, что каждая клетка нашего организма содержит полный набор генов. Однако в ходе того же исследования, начатого в 2002 году2, мы обнаружили, что в разное время суток может включаться или выключаться не более 20 процентов всех генов: как уже говорилось, наш организм не в состоянии осуществлять все свои биологические функции одновременно. Еще интереснее тот факт, что 20 процентов генов, которые на определенное время отключаются в мозге, не являются теми же генами, которые отключаются на определенное время в печени, сердце или мышцах. Детальная информация о функциях и времени работы генов позволила нам ясно понять, как циркадные ритмы оптимизируют функционирование клеток.

А теперь давайте посмотрим, какие виды клеточной активности осуществляются циклично:

● Сигнальные пути нутриентов (пути передачи сигналов голода и насыщения). Так же как все наше тело ощущает голод при снижении уровня доступной и готовой к использованию энергии, испытывает сытость после приема пищи или не чувствует голода ночью, каждая клетка каждого органа располагает механизмом, который вызывает у нее голод и позволяет получать питательные вещества в течение дня. После того как клетка получит достаточно энергии, мозг перекрывает доступ к питательным веществам, чтобы клетка «не объелась».

● Энергетический метаболизм, который влияет на функционирование клетки и метаболизм всех ключевых нутриентов. Использование и хранение углеводов, жиров и белков не является непрерывным. Когда сахар абсорбируется из крови и преобразуется в жир или гликоген для будущего использования, функция расщепления жира в организме останавливается и возобновляется лишь после того, как будет израсходован весь сахар.

● Техническое обслуживание клеток. После всех химических реакций, особенно тех, в ходе которых клетки производят энергию, остаются отходы, известные как частицы активного кислорода. Их можно сравнить с пятнами жира на кухонной плите или с жирным дымом, который исходит от раскаленной сковородки. Чтобы справиться с этой грязью, мы включаем вытяжку или надеваем фартук. У клеток тоже есть включающиеся в определенное время механизмы уборки мусора. В их число входит процесс детоксикации.

● Ремонт и деление клеток. Каждый день наше тело ремонтируется и омолаживается. Точно так же, как у нас дома со временем начинают выходить из строя трубы, в нашем организме есть сотни километров кровеносных сосудов, которые нужно проверять на предмет протекания и ремонтировать. Кроме того, в ежедневном уходе и ремонте нуждаются слизистая оболочка пищеварительного тракта и кожа, чтобы они не пропускали внутрь тела бактерии, химикаты и токсины. Внутри каждого органа умирают и требуют замены многие клетки. В регулярной замене нуждаются также клетки крови. Эти работы по производству новых клеток осуществляются в определенное время суток, обычно ночью, когда мы спим.

● Межклеточная коммуникация. Нашим органам необходимо общаться друг с другом, и это общение проводится в определенном ритме. Например, когда мы наедаемся до отвала, в жировой ткани вырабатывается гормон лептин, который подает в мозг сигналы о том, что пора прекратить есть. Таким же образом, когда мы едим, гормоны пищеварительного тракта сообщают поджелудочной железе, что ей нужно вырабатывать инсулин, помогающий печени и мышцам абсорбировать глюкозу из пищи. В определенные периоды суток интенсивность этой коммуникации усиливается, а в остальное время слабеет.

● Секреторная функция клеток. Каждая клетка производит что-то ценное для своего соседа или для всего тела. Соответственно, каждый орган производит что-то попадающее в кровоток или доставляющееся его соседу. Эти процессы носят циркадный характер. Например, печень производит некоторые виды молекул, необходимых для образования кровяных сгустков. Факторы свертывания крови подчиняются циркадным часам, что может оказаться полезным при выборе оптимального времени для хирургической операции, когда нужно обеспечить быстрое заживление тканей. Слизистые оболочки носа, ЖКТ и легких секретируют смазывающие вещества – эти процессы тоже являются циркадными.

● Почти каждое воздействие лекарственных средств. Тут открывается одна из наиболее актуальных возможностей применения циркадной науки, особенно для тех, кто проходит курс лечения от любого хронического заболевания или рака. Как мы уже говорили, в каждом органе в определенные моменты времени включаются или выключаются тысячи генов. Представьте, что вы смогли бы нацеливать лекарственное вещество на ген, который вырабатывает белок, помогающий вашей печени производить холестерин. Подчиняясь суточному ритму, этот белок увеличивает производство холестерина утром и снижает вечером. Если бы мы хотели сократить производство холестерина в печени, разве не лучше было бы иметь лекарство, способное блокировать этот белок в периоды его пиковой активности?

Ученым было известно, что клетки общаются друг с другом, но нам хотелось узнать, участвуют ли наши внутренние часы в процессах коммуникации между органами. Исследователи обнаружили небольшое скопление клеток, которое выполняет функцию эталонных часов точно так же, как атомные часы служат эталоном для всех остальных часов.

Эта структура, известная как супрахиазматическое ядро (СХЯ), расположена в основании гипоталамуса – отдела головного мозга, в котором размещаются командные центры голода, насыщения, сна, баланса жидкостей, стрессовой реакции и т. д. Составляющие СХЯ 20 тысяч клеток косвенно связаны с питуитарной железой (гипофизом), которая производит гормон роста, с надпочечниками, секретирующими гормоны стресса, со щитовидной железой, производящей тиреоидный гормон, и с гонадами (половыми железами), отвечающими за выработку половых гормонов. Кроме того, СХЯ косвенно связано с шишковидной железой (эпифизом), которая производит гормон сна мелатонин3.