27 Июл Глаз — орган пространства и времени
Наша жизнь подобна опере, в которой задействованы несколько солистов, большой хор и музыканты, играющие на разных инструментах. Чтобы получилось что-то приятное на слух, все они должны брать правильные ноты, соблюдать громкость и вступать в нужное время и в правильной последовательности. А если каждый будет делать то, что и когда ему хочется, результатом станет разрозненная какофония. Чтобы был не хаос, а порядок, нужен дирижер.
Сложные физиологические и биохимические процессы, отвечающие за жизнь человека, также нуждаются в координации. В конце концов, никому не хочется одновременно испытывать желание есть, спать и справлять нужду. Дирижером сложного оркестра жизнедеятельности всех живых организмов являются биологические часы, отвечающие за то, чтобы в течение суточного цикла все процессы в организме происходили в положенное время.
Сила, определяющая биологию Земли, — это ежедневная смена дня и ночи в результате вращения нашей планеты вокруг своей оси и изменения ее положения относительно Солнца. Многие аспекты физиологии организма и поведения настроены на суточный цикл смены дня и ночи. Причем это справедливо не только для человека, но и для птиц, насекомых, животных, растений и бактерий. Так, в сумерках морские создания поднимаются из глубин, где они прячутся от хищников в светлое время суток, чтобы под покровом ночи питаться в богатых поверхностных водах. Многие цветы закрывают лепестки на ночь (возможно, для того чтобы избежать истребления насекомыми и предотвратить испарение влаги) и открывают их на рассвете, чтобы использовать лучи солнца для фотосинтеза.
Человек также зависит от восхода и заката Солнца; самым простым примером этого является цикл «сон-бодрствование». Другие аспекты нашего метаболизма также меняются ритмично в зависимости от цикла смены дня и ночи: температура тела, давление, внимание, когнитивная функция и уровень многих гормонов (например, кортизола) повышаются перед рассветом в преддверии дневной активности и снижаются вечером, готовя организм ко сну. Гормоны, такие как пинеальный мелатонин и гормон роста (из гипофиза), обычно выделяются только по ночам. Даже наше либидо то нарастает, то убывает в течение суток, при этом значительный рост либидо у мужчин отмечается в утренние часы — в связи с повышением уровня тестостерона. Многие аспекты зрительной физиологии и функции органа зрения также регулярно меняются в течение суток: отшелушивание дисков фоторецепторов, выделение гормона мелатонина в глазах, синтез дофамина, амплитуда ретинограммы, внеклеточный pH, зрительная чувствительность, а также хорошо известное читателям внутриглазное давление — все они меняются в зависимости от времени суток.
Такой суточный цикл в физиологии и поведении называется «циркадные ритмы» — от латинского circa, означающего «о», и diem, то есть «день». При постоянных условиях они остаются без изменений в течение многих лет, но их длительность может быть либо чуть дольше, либо чуть короче, чем 24 ч. Так, в постоянной темноте ритм, заданный часами, имеет длительность «около суток», но не точно 24 ч. Внутренняя природа циркадных ритмов впервые была продемонстрирована па растениях в 1972 году, когда французский астроном Ж.-Ж. д’Орту де Маран (J.-J. d’Ortous de Marian) поместил мимозу в ящик и заметил, что днем она распускала листья, несмотря на то, что в ящике не было света. Безусловно, у нас тоже есть циркадные ритмы. Ю. Ашофф (Jii. Aschoff) доказал это, когда поместил студентов-добровольцев в подземный бункер отдельно друг от друга и без контакта с внешним миром и позволил им спать и есть, когда им захочется. У всех испытуемых развился суточный ритм длительностью свыше 24 ч, и вскоре их биологические часы уже не совпадали со временем реального мира. Таким образом, наши часы, подобно любым циркадным ритмам, нуждаются в ежедневной синхронизации (изменении фазы) с циклом смены дня и ночи Земли, иначе функции организма выходят из фазы с окружающей средой.
Другой причиной необходимости настройки биологических часов человека является то, что, за исключением экватора, длительность дня неодинакова в течение года. Так как ось вращения Земли наклонена, то чем дальше мы удаляемся от экватора, тем больше разница в длительности дня в зимнее и летнее время. Поэтому от часов с фиксированной длительностью, например 12 ч светлого и 12 ч темного времени суток, будет мало пользы, так как такой цикл будет правильным только несколько дней в году. Должна быть система настройки биологических часов, чтобы они соответствовали изменению цикла смены дня и ночи.
Примером знакомого всем нам расхождения между циркадными ритмами, внешними сутками и началом нового дня, определяемого восходом Солнца, является расстройство биоритмов в связи с перелетом через несколько часовых поясов. Сначала наша внутренняя циркадная система заставляет нас спать и просыпаться, чувствовать голод, выделять гормоны и посещать туалет в неподобающее время, вызывая биологическую «какофонию», однако через несколько дней наши биологические часы настраиваются на новый цикл смены дня и ночи. О том, как происходит синхронизация биологических часов с уровнем освещенности, пойдет речь далее.
У млекопитающих «главные биологические часы» располагаются в небольшой передней гипоталамической структуре сверху перекреста зрительных нервов — в супрахиазматическом ядре (СХЯ). СХЯ — это главные биологические часы, но не единственные. Большинство клеток организма (если не все) обладают способностью генерировать автономные 24-часовые ритмы активности, поэтому сетчатка млекопитающих имеет минимум один, но, вероятно, несколько циркадных «таймеров», контролирующих функции органа зрения. Суточные ритмы таких «периферических часов» координируются СХЯ, поэтому «день внутри» начинается вследствие действия комплексной сети миллиардов парных циркадных осцилляторов.
Преимущества таких внутренних таймеров очевидны. Как было известно каждому школьнику XVII века, «ранняя пташка червячка ловит». Однако если посмотреть на это с другой стороны, то это уже будет «припозднившийся червячок оказывается съеденным». В любом случае пословица свидетельствует о понимании важности циркадных ритмов еще 400 лет назад. Совершенно очевидно, что голодная птица должна быть готова к охоте еще до рассвета, а червяк должен скрыться под землю до первого луча Солнца. К прогнозируемым событиям лучше быть готовым.
Проще говоря, около 12 «часовых генов» активируются в ядре клетки, а цепочки их информационных РНК (иРНК) транскрибируются. Затем эти иРНК транслируются в белки в цитоплазме клетки, где они собираются. Получаемый в результате белковый комплекс перемещается в ядро и ингибирует транскрипцию часовых генов. После чего прекращается продукция иРНК этих генов, и белки часовых генов постепенно распадаются. С их потерей часовые гены освобождаются от ингибиции и производят иРНК, транслируемую в белок. Скорость транскрипции, трансляции, сборки белка и его распада и т. д. образует приблизительно 24-часовой цикл клеточной активности; чтобы внутренние и внешние часы совпадали, именно эта фаза молекулярного колебания нуждается в настройке в соответствии с циклом смены дня и ночи.
Итак, возвращаясь к вопросу о том, как происходит синхронизация биологических часов с суточным циклом день/ночь. У всех не млекопитающих позвоночных (рыб, птиц, рептилий и амфибий) фоторецепторы внутри пинеального комплекса и даже глубже в мозге используют свет для регуляции циркадной системы. У млекопитающих, однако, именно сетчатка посылает проекции в СХЯ и обеспечивает синхронизацию биологических часов с астрономическими сутками. Поэтому очевидно, что глаз важен не только для зрения, то есть для формирования четкого изображения окружающего нас мира. Он также участвует в других процессах, не связанных с формированием изображения, например в синхронизации биологических ритмов, для чего не требуется подробной информации об изображении, а необходимо точное измерение абсолютного уровня освещенности.
Давно известно, что палочки и колбочки определяют функции глаза, связанные с формированием изображения. Однако до недавнего времени было неясно, какие фоторецепторы отвечали за функции глаза, не связанные с формированием изображения, и передавали информацию в центральную нервную систему (ЦНС). Были ли это палочки, или колбочки, или и то и другое? Ответ удивил всех: ни то, ни другое. Циркадные ритмы мышей, которые были генетически изменены, чтобы не иметь функциональных палочек и колбочек, не пострадали: их активность и уровни гормонов точно соответствовали периодам светлого и темного времени суток. Из этого можно сделать единственный возможный вывод: есть другой фоторецептор помимо палочек и колбочек, передающий информацию об уровне окружающей освещенности в ЦНС. Теперь нам известно, что этот новый фоторецептор у млекопитающих — это подтип специализированных светочувствительных, или фоточувствительных, ганглиозных клеток сетчатки (фГКС), содержащих фотопигмент меланопсин. Эти клетки, составляющие около 1% всех ганглиозных клеток в сетчатке человека, реагируют на свет без каких-либо сигналов от палочек и колбочек.
Палочки сетчатки человека содержат зрительный пигмент, максимальная поглощающая способность которого приходится на свет с длиной волны 498 нм; также существуют три типа колбочек с максимальной чувствительностью к свету с длиной волны 420, 534 и 563 нм. Однако если посмотреть на царство животных, мы увидим большое разнообразие пигментов палочек и колбочек с максимальной чувствительностью к свету в диапазоне длин волн от 360 до 630 нм. Каждый вид животных обладает зрительным пигментом, лучше всего соответствующим их зрительным потребностям. Чувствительность меланопсина в значительной мере постоянна, ее пик у всех видов живых организмов приходится на синюю часть спектра с длиной волн около 480 нм. Причины этого широко обсуждались, одно из предположений заключалось в том, что эти рецепторы настроены на богатые синим волны света неба на рассвете и закате. В сумерках прямой горизонт — красный или оранжевый, но стоит только поднять взгляд — и будет синее небо с пиком излучения около 480 нм.
Объявление в 1999 году о существовании третьего типа фоторецепторов сетчатки у млекопитающих было повсеместно встречено со скептицизмом. Так в чем же смысл этого третьего, нового класса фоторецепторов сетчатки? Почему нельзя использовать традиционные фоторецепторы для информирования ЦНС об уровне освещенности?
Простой ответ заключается в том, что свойства фоторецепторов, необходимые для двух функций глаза: формирующего изображение (ФИ) и не формирующего изображения (НФИ) зрения, во многом несовместимы. Чтобы собирать подробную информацию для ФИ-зрения, фоторецептор должен реагировать быстро и кратко. Поэтому он должен быстро адаптироваться, в то время как фоторецептор, измеряющий количество света в окружающей среде для НФИ-зрения, должен передавать информацию в течение более длительного времени. Так, в то время как реакции колбочек и в меньшей степени палочек ослабевают через несколько секунд после воздействия света, клетки фГКС продолжают реагировать в течение нескольких минут; они не адаптируются. Поэтому существование отдельных классов фоторецепторов для ФИ- и НФИ-зрения не вызывает удивления.
Существует как минимум пять морфологических типов фГКС, проецирующих в разные участки мозга. Точных данных о том, в какой участок мозга осуществляется проекция, как эти проекции накладываются друг на друга и чем различается их реакция на свет, до сих пор нет. Однако предполагается, что те фГКС, которые передают информацию в ЦНС, кодируют НФИ-информацию несколько иначе, чем те фГКС, которые проецируют информацию в вентролатеральное преоптическое ядро и регулируют сон и концентрацию внимания. Вероятно, что фГКС играют роль в сознательном восприятии яркости через проекции в дорсальные латеральные геникулярные ядра. Но опять же информации об этом пока недостаточно.
Понимание того, что многие функции контролируются фГКС, имеет глубокое клиническое значение. Например, вследствие дегенерации традиционных фоторецепторов глаза пациентов с функциональной слепотой за бесполезностью удалялись. В результате существенно нарушались циркадные ритмы пациентов, что ухудшало качество их жизни. До тех пор пока внутренняя функция сетчатки остается сохранной, даже при дегенерации колбочек и палочек, рекомендуется сохранять глаз для обеспечения нормального выполнения НФИ-процессов, контролируемых фГКС.
Это не говорит о том, что палочки и колбочки не играют никакой роли в НФИ-процессах. Все три типа фоторецепторов (палочки, колбочки и фГКС) участвуют в разных аспектах большинства этих реакций.
Так как циркадные ритмы влияют на большинство процессов в организме, их участие в развитии ряда заболеваний также не вызывает удивления. Например, дегенерация СХЯ при болезни Альцгеймера (БА) приводит к нарушению сна у пациентов, что также нарушает режим сна лиц, ухаживающих за ними. Именно нарушение сна у тех, кто ухаживает за пациентами с БА, является основной причиной помещения таких пациентов в специальные учреждения, на что система здравоохранения ежегодно тратит миллионы.
Сбой биологических часов и цикла «сон — бодрствование» также является характерной чертой психических заболеваний. Доказано, что частичная стабилизация сна улучшает симптомы у пациентов с шизофренией. Внутренние часы сетчатки также участвуют в развитии тяжелых патологических процессов в органе зрения. Это и чувствительность фоторецепторов к световому повреждению, и дегенерация сетчатки, и развитие миопии.
Появление дешевого электричества и искусственного освещения в конце XIX века и последующее изменение рабочих часов постепенно отдалило нас от солнечного суточного цикла смены дня и ночи. Это привело к сбою циркадной системы и системы сна, что повлекло за собой ухудшение производительности, увеличение числа ошибок, снижение концентрации внимания, потерю памяти, снижение мотивации и увеличение времени умственной и физической реакции. Недостаток и нарушение сна также связаны с целым рядом нарушений обмена веществ, включая систему взаимодействия глюкозы и инсулина. Например, у пациентов с дефицитом сна медленнее происходит регуляция уровня сахара в крови, и инсулин может опускаться до значений, характерных для начальных стадий сахарного диабета, что является патологией, обратимой при возобновлении нормального режима сна. Эти результаты свидетельствуют о том, что долгосрочное нарушение циркадных ритмов и режима сна способствует развитию хронических состояний, таких как диабет, ожирение и гипертония. Более того, ожирение тесно связано с апноэ во сне, что еще больше нарушает сон. В таких обстоятельствах может возникать опасная положительная ответная цепь ожирения и нарушения сна.
Потеря сна и нарушение циркадных ритмов очевидны у людей, работающих в ночную смену. Более 20% населения трудоспособного возраста хотя бы иногда работают не с 7 утра до 7 вечера. Дж. Арендт (J. Arendt) из Университета Суррея заявляет: «Из-за быстроты и непостоянства смены цикла светлого и темного времени суток и режима труда и отдыха работающие посменно испытывают симптомы, аналогичные расстройству биоритмов при пересечении нескольких часовых поясов». Хотя путешественники обычно легко адаптируются к новому часовому поясу, биологические часы людей, работающих по сменам, как правило, не совпадают с местным временем. Даже после 20 лет регулярных ночных смен циркадные ритмы у человека не перестраиваются в ответ на требования работы в ночное время. Несмотря на большое разнообразие и сложность «систем работы по сменам», ни одна из них так и не смогла полностью устранить нарушение циркадных ритмов из-за работы по сменам. Метаболизм, а также концентрация внимания и продуктивность остаются высокими в дневное время, когда человек, работающий ночью, спит, и низкими — ночью, когда человек старается работать. Нарушение физиологических ритмов (наряду с нарушением режима сна) у тех, кто работает в ночную смену, приводит к повышенному риску смерти от сердечно-сосудистых патологий, в восемь раз увеличивает риск развития язвы желудка и двенадцатиперстной кишки, а также повышает риск развития некоторых онкологических заболеваний. Другие возможные проблемы включают в себя повышенный риск несчастных случаев, хроническую усталость, чрезмерную сонливость, нарушение сна, более высокий показатель злоупотребления психоактивными веществами. Люди, выходящие в ночную смену, чаще считают свою работу очень напряженной.
Так почему же у тех, кто работает по ночам, не происходит смещения биологических часов? В конце концов, как мы говорили ранее, когда мы, путешествуя, пересекаем несколько часовых поясов, мы постепенно адаптируемся и наши биологические часы настраиваются на местный часовой пояс. Ответ, вероятно, заключается в том, что фГКС, настраивающие циркадную систему, практически нечувствительны к свету. Наши часы реагируют на яркий естественный солнечный свет, а не на искусственное освещение па рабочем месте. Вскоре после рассвета естественный солнечный свет практически в 50 раз ярче, чем искусственное освещение в офисах (300-500 лк), а в полдень он может быть в 500-1000 раз ярче даже в северной части Европы. Поэтому воздействие яркого солнечного света по пути на работу, а после нее домой в сочетании с низким уровнем освещенности на рабочем месте замыкает часы человека, работающего ночью, на местном времени. При этом биологические и социальные часы не совпадают.
В связи с чувствительностью меланопсина к синему свету было высказано предположение, что свет с длиной волны около 480 нм сможет наиболее эффективно смещать циркадные ритмы и активировать системы бодрствования. Это подтверждают все проведенные на сегодняшний день исследования. Синий свет, действительно, оказывает наиболее эффективное воздействие на настройку биологических часов, уменьшая сонливость, улучшая время реакции и уменьшая симптомы сезонного аффективного расстройства (САР). В связи с этим высказывались опасения, что «желтые», блокирующие синий свет интраокулярные линзы, используемые при хирургическом лечении катаракты, блокируют столько синего света, что это нарушает фГКС-опосредованные физиологические реакции. Однако недавно было проведено исследование, посвященное данной проблеме, которое показало, что большинство представленных на рынке интраокулярных линз, блокирующих синий свет, удерживают его (свет с длиной волны около 480 нм) не больше, чем обычный хрусталик глаза 50 летнего человека; а исследование качества сна и его времени у сотен пациентов, которым был установлен или блокирующий синий свет искусственный хрусталик (желтый), или хрусталик с УФ- фильтром (прозрачный), не показало различий.
Стоит отметить, что человек — это вид, развитие которого происходило в условиях яркой освещенности. Даже в пасмурный день в Европе естественная освещенность составляет около 10000 лк, а в яркий солнечный день может достигать 100000 лк. Тем не менее наша жизнь проходит в домах, школах, офисах, больницах, на заводах, изолированных от естественного солнечного света, где уровень искусственной освещенности составляет около 200 лк и редко превышает 400-500 лк. И хотя такой уровень освещенности обеспечивает ФИ-реакции на свет, фГКС гораздо менее чувствительны к свету, чем традиционные фоторецепторы, поэтому краткосрочное воздействие света, на которое реагируют колбочки и палочки, не распознается фГКС. Для точной настройки биологических часов необходимо воздействие 1000-2000 лк в течение 30-60 мин; утро является оптимальным временем суток, чтобы получить свет такой интенсивности. Однако тусклый свет также может оказывать влияние, если он воздействует в течение длительного времени, особенно если он содержит волны длиной около 480 нм. Поэтому тусклый свет в помещении от настольных ламп либо от «богатых» синим светом экранов компьютеров или планшетов может оказывать ощутимое воздействие на биологические часы и внимание. Все больше специалистов сходятся во мнении, что такие источники освещения оказывают небольшое, но важное воздействие. Например, непрерывное чтение на протяжении 4 ч перед сном светящейся электронной книги немного откладывало время засыпания (около 10 мин) по сравнению с чтением традиционной книги, когда свет в помещении отражался от страницы. Конечно, этот эффект невелик и может быть обусловлен многочисленными другими факторами, не говоря уже об употреблении чая или кофе перед сном.
Весь ажиотаж вокруг контактных линз с синим фильтром и влияния света от экранов компьютеров не должен отвлекать нас от более широкой картины. До конца 1990-х годов большинству офтальмологов и ученых наличие неизвестного класса фоторецепторов у позвоночных казалось невозможным. В конце концов, глаз был наиболее изученной частью центральной нервной системы. Сто пятьдесят лет исследований позволили подробно объяснить то, как мы видим. После детекции фотонов палочками и колбочками их ступенчатые потенциалы собираются в изображение внутренними нейронами сетчатки с последующей глубокой обработкой изображения в мозге. Такое представление об органе зрения не оставляло места для дополнительного класса фоторецепторов глаз.
Однако мы знаем, что палочки и колбочки — не единственные фоторецепторы. Открытие того, что орган зрения имеет еще один класс фоторецепторов, основанных на небольшом числе фоточувствительных ганглиозных клеток сетчатки (ФГКС), которые определяют уровень освещенности, регулируют разные физиологические процессы и поведение (включая регуляцию суточных биологических часов, сна, настроения и даже размера зрачка), изменило наше понимание того, как происходит детекция света глазом. Однако это открытие — не просто новая, увлекательная область сенсорной биологии. Оно имеет значимые клинические последствия, немаловажным из которых является классификация случаев слепоты. Сегодня офтальмологи понимают, что после полной потери глаза человек оказывается лишенным не только зрения, но и ощущения времени; поэтому обследование, лечение и ведение пациентов с патологиями органа зрения должны учитывать двойственную функцию глаза.
Источник информации:
Журнал «Современная оптометрия» №3 2015
Сведения об авторах:
Р. Дуглас, профессор кафедры оптометрии и наук о зрении Лондонского городского университета (Великобритания);
Р. Фостер, профессор циркадной нейрофизиологии и заведующий кафедрой офтальмологии Оксфордского университета (Великобритания).