Циркадный ритм: что это и как работают биологические часы
Внутренние сутки длятся не 25 часов, как пишут учебники, а в среднем 24 часа 9 минут, и каждый день их подводит к солнцу свет через особые клетки глаза
Циркадный ритм это ритм с периодом около суток, который продолжается и без внешних сигналов, от латинских circa, около, и dies, день. Биологические часы человека сидят в супрахиазматическом ядре мозга, ход им задаёт петля генов внутри клеток, а идут они в среднем 24 часа 9 минут, а не 25 часов, как пишут учебники. Каждый день их подводит к солнцу свет.
Мичиган (Coursera): модули 4 и 11 · Гарвард: You and Your Biological Clock · Стэнфорд 2019: лекция 10 · OpenStax, раздел 4.1 · 24 мин · обновлено 01.10.2026
После урока вы сможете
- Объяснять, где находятся биологические часы, на опытах с разрушением и пересадкой супрахиазматического ядра
- Пересказывать, как петля обратной связи гена period создаёт суточный цикл и за что дана Нобелевская премия 2017 года
- Объяснять, откуда взялись «25 часов» и почему точные измерения дают в среднем 24,15-24,18 часа
- Показывать на данных о слепых и на опыте Райта и соавторов, что свет главный задатчик времени
- Различать в этой теме утверждения со статусами «выдержало», «сильно ослаблено» и «не было доказательством»
16 июля 1962 года 23-летний французский геолог Мишель Сифр спустился в ледниковую пещеру Скарассон в Приморских Альпах. Часов у него не было, дневного света тоже. Он спал, когда хотелось спать, и включал лампу, когда просыпался. Свои циклы сна и бодрствования он отмечал сам.
14 сентября сверху сообщили, что опыт окончен. Сифр был уверен, что сейчас 20 августа и впереди ещё почти месяц. В интервью журналу Cabinet в 2008 году он описал свой цикл сна и бодрствования как «около двадцати четырёх часов и тридцати минут». Там же он рассказал, что досчитать до 120 ему требовалось около 5 минут, а температура тела опускалась до 34 °C.
С числами тут не всё сходится. С 16 июля по 14 сентября прошло 60 суток по календарю. При цикле 24,5 часа за это время прошло бы около 58,8 его «суток», и ошибся бы он примерно на день. Сифр же ошибся на 25 дней, то есть насчитал около 35 циклов, в среднем около 41 часа на цикл (пересчёт наш). Его собственные слова о 24 с половиной часах с этой ошибкой не сходятся, а научной публикации об опыте 1962 года не нашлось.
Опыт показал одно: без солнца и часов ритм сна и бодрствования у Сифра сохранился. Измерить длину этого ритма один человек с лампой в пещере не мог. Короткий ответ урока такой. Биологические часы человека сидят в небольшом ядре мозга, а их ход задаёт петля генов внутри клеток. Идут они в среднем около 24 часов 9 минут. Каждый день их подводит к солнцу свет.
Где находятся биологические часы
Первое место часов нашли на крысах. В 1972 году Стефан и Цукер разрушали у животных маленькое ядро в основании мозга, с двух сторон. Суточные ритмы питья и активности исчезали навсегда. Разрушение соседней области, медиальной преоптической, ритм не трогало. В том же году Мур и Айхлер сообщили, что после такого разрушения у крыс пропадает и суточный ритм гормона надпочечников кортикостерона. Эта работа известна курсу только по выходным данным и названию.
Разрушение показывает, что без ядра ритма нет, но не доказывает, что часы именно в нём. Решающий опыт поставили Ральф, Фостер, Дэвис и Менакер в 1990 году. У них были хомяки с мутацией, которая укорачивает период. Животным с разрушенным ядром пересаживали ткань этого ядра от другого хомяка. Ритм возвращался, и его период всегда был периодом донора, в какую бы сторону ни шла пересадка.
Это ядро лежит в гипоталамусе прямо над перекрёстом зрительных нервов. Поэтому его называют супрахиазматическим, от латинского «над перекрёстом», сокращённо СХЯ. Утверждение, что главные часы млекопитающих находятся в СХЯ, выдержало проверку: разрушение ядра ритм убирает, пересадка ядра его возвращает. Ритм, который идёт с периодом около суток и продолжается без внешних сигналов, называют циркадным, от латинских circa, около, и dies, день.
Как тикают часы: гены и Нобелевская премия 2017 года
Механизм нашли на мухах. В 1971 году Конопка и Бензер описали трёх мутантов дрозофилы. У одного суточного ритма не было вовсе, у второго период был 19 часов, у третьего 28 часов. Все три мутации лежали в одном гене на Х-хромосоме. Позже этот ген назвали period.
В 1984 году Холл и Росбаш в Университете Брандейса и Янг в Рокфеллеровском университете выделили ген period. Его белок, PER, накапливается в клетке ночью и распадается днём. По модели, которую они предложили, белок PER подавляет работу собственного гена. Белка становится много, ген затихает, белок распадается, ген снова включается. Так получается цикл, который поддерживает сам себя. Его называют петлёй обратной связи.
В 2017 году Холл, Росбаш и Янг получили Нобелевскую премию по физиологии и медицине за открытие молекулярных механизмов, управляющих циркадным ритмом. Премию часто пересказывают как награду за открытие того, что у человека есть биологические часы. Это неверно. Суточные ритмы известны с XVIII века, и тот же нобелевский пресс-релиз вспоминает опыты де Мэрана с мимозой. Утверждение, что ритм создаёт петля обратной связи генов внутри клетки, по статусу выдержало.
Здесь внутренний ритм похож на часы: он отсчитывает время сам, без взгляда на солнце. Ломается аналогия вот где. Ход настоящих часов задан точно и одинаков у всех экземпляров, а собственный период внутренних часов у людей разный, у одних короче 24 часов, у других длиннее. Без ежедневной подводки светом они уходят от суток, и в этом их нормальная работа, а не поломка.
Сколько длятся внутренние сутки: 25 часов или 24
Во многих учебниках написано, что внутренние сутки человека длятся около 25 часов. Число пришло из опытов в изоляции, которые с 1960-х годов вели Юрген Ашофф и Рютгер Вефер в Институте Макса Планка в Германии. Люди жили там без часов и дневного света. По повторному анализу Дана и соавторов 2013 года, у части участников цикл сна отрывался от ритма температуры тела и становился длиннее 27 или короче 22 часов. Сами статьи Ашоффа и Вефера курс знает только по выходным данным.
Чейслер и соавторы в 1999 году свели прежние оценки. Период ритма активности у людей описывали от 13 до 65 часов, медиана 25,2 часа, а ритм температуры в среднем 25 часов. Беда была в свете. В тех опытах человек сам включал и выключал лампу, а свет сдвигает часы. Клерман и соавторы в 1996 году показали это на компьютерной модели. Такой свет даёт наблюдаемый период около 25 часов, даже если собственный период часов, то есть длина их суток без внешних сигналов, близок к 24.
Чтобы измерить период честно, нужны тусклый свет около 10-15 люкс, режим не в такт часам и не меньше 20 дней. Такой протокол называют принудительной десинхронизацией. Человеку задают «сутки» другой длины, например 20 или 28 часов, и часы идут своим ходом отдельно от режима сна. При строгом контроле освещения у Чейслера период по мелатонину, температуре и кортизолу вышел в среднем 24,18 часа. Число участников этой работы курс не сверил.
Самая крупная оценка у Даффи и соавторов 2011 года. В месячном протоколе в стационаре измерили 157 человек, 52 женщины и 105 мужчин, от 18 до 74 лет. Средний собственный период вышел 24,15 часа, то есть 24 часа 9 минут, плюс-минус 12 минут. У женщин 24,09 часа, у мужчин 24,19. Период короче суток был у 35 % женщин и 14 % мужчин, это примерно 18 женщин из 52 и 15 мужчин из 105 (пересчёт наш).
Поэтому утверждение, что внутренние часы человека идут с периодом около 25 часов, сильно ослаблено. Период в среднем чуть длиннее суток, но на минуты, а не на час, и у части людей он короче суток. А утверждение, что опыт Сифра показал период 24,5 часа, по статусу не было доказательством. Один человек отмечал циклы сам и включал лампу по своей воле, а именно такие условия, по модели Клерман, искажают оценку.
Тренажёр урока показывает, что значат эти минуты за месяц. Ползунок задаёт собственный период от 23,9 до 24,8 часа. Нижний край ниже суток, потому что у части людей период короче. Верхний близок к 24,79 часа из работы о слепых, о ней ниже. Тренажёр считает, на сколько минут в сутки и на сколько часов за месяц уплывут часы без подстройки. При 24,15 часа это 9 минут в сутки и 4,5 часа за 30 дней. Отдельная кнопка показывает старую оценку 25 часов, и там дрейф выходит 60 минут в сутки.
Свет подводит часы к суткам
Если собственный период не равен 24 часам, что каждый день подводит часы к солнцу? Ответ дали люди, до часов которых свет не доходит. В 1992 году Сак и соавторы измерили ритм мелатонина у 20 полностью слепых. Мелатонин это гормон, который выделяется в темноте, и время его подъёма служит меткой внутренних часов. У большинства ритм был нарушен, примерно у половины он шёл своим ходом, не подстраиваясь под сутки.
В 1997 году Локли и соавторы обследовали 49 слепых. Из 19 человек, сохранивших восприятие света, у 14 ритм был подстроен нормально. Из 30 человек без восприятия света у 17 ритм шёл своим ходом, с периодом от 24,13 до 24,79 часа. Ещё у 5 он был подстроен к суткам, но сдвинут. Все эти люди жили среди других, с часами, работой и едой по расписанию. Такой ритм, который идёт с собственным периодом, потому что внешние сигналы до часов не доходят, называют свободнотекущим. У части слепых раз в несколько недель наступали ночи бессонницы и дни сонливости, сильнее всего, когда внутренний ритм расходился со временем сна.
Внешний сигнал, который подводит часы к суткам, называют задатчиком времени, по-немецки Zeitgeber. Главный задатчик у человека это свет. Ещё в 1980 году это показали Льюи и соавторы на 6 здоровых людях. Яркий искусственный свет подавлял у них ночное выделение мелатонина, а обычный комнатный свет более слабой яркости не подавлял. Часто пишут, что свет в том опыте был 2500 люкс, но курс это число не сверил.
Как сильно действует свет, видно по опыту Райта и соавторов 2013 года. Восемь человек, из них две женщины, в среднем 30 лет, в июле неделю жили обычной жизнью. Следующую неделю они провели в палатках в Скалистых горах Колорадо, только при солнце и костре. Днём дома они получали в среднем 979 люкс, в походе 4487, больше чем вчетверо. После похода все метки внутренних часов сдвинулись примерно на 2 часа раньше, время сна примерно на 1,2 часа. Длительность сна не изменилась, 6,7 и 6,8 часа.
Сами авторы называют пределы работы: участников мало, опыт летний и на одной широте. Вместе с данными о слепых он всё же даёт ясную картину. Утверждение, что свет главный сигнал, подводящий часы к суткам, выдержало проверку. Подробнее о походе и о том, как свет связан с хронотипом, говорит урок 5.
Измерено, как идёт ритм мелатонина у 20 полностью слепых и у 49 слепых с разной сохранностью восприятия света, и как у части из них повторялись бессонница и дневная сонливость. Отсюда не следует, что жалобы на сон у конкретного человека, слепого или зрячего, вызваны уходом часов. Такие жалобы бывают по многим причинам, а в этих работах ритм мерили специально. Что стоит за жалобой на сон, решает врач.
Как свет попадает в часы: меланопсин
Слепые с сохранённым восприятием света подсказывают, что часы видят свет не так, как мы видим картинку. В 2000 году Провенсио и соавторы нашли у человека новый светочувствительный белок, меланопсин. Из 26 мест в теле он нашёлся только в глазу, причём не в палочках и колбочках, которые дают зрение. Он был в слое ганглиозных и амакриновых клеток сетчатки, и авторы предположили его роль в циркадных ритмах.
В 2002 году вышли две работы в одном номере Science. Берсон, Данн и Такао изучали ганглиозные клетки сетчатки крысы, отростки которых идут к СХЯ. Эти клетки сами реагировали на свет, даже когда сигналы от палочек и колбочек были заблокированы. Хаттар и соавторы нашли меланопсин в подгруппе ганглиозных клеток, чьи отростки идут к СХЯ и к центрам зрачкового рефлекса. Все светочувствительные ганглиозные клетки крысы содержали меланопсин.
Эти клетки называют светочувствительными ганглиозными клетками сетчатки. Этим клеткам не нужна картинка: они сообщают часам о самом свете. Поэтому у части слепых, которые не видят картинки, но сохранили восприятие света, ритм остаётся нормальным. Какой свет сильнее всего действует на эти клетки и что делают с часами вечерние экраны, разбирает урок 6.
Что выдержало, а что ослаблено
Из разборов этого урока легко вынести, что о внутренних часах мало что известно. Верно обратное. Выдержало, что главные часы млекопитающих в СХЯ: разрушение ядра убирает ритм, пересадка возвращает его с периодом донора. Выдержало, что ритм создаёт петля генов внутри клетки, и за этот механизм дана Нобелевская премия 2017 года. Выдержало, что главный задатчик времени свет, и путь его сигнала через меланопсиновые клетки описан.
Ослаблено число: не 25 часов, а в среднем 24,15-24,18. Не было доказательством то, что приписывают опыту Сифра. Исправили число не критики со стороны, а сами хронобиологи. Чейслер и Клерман поняли, что старые опыты портил свет, который люди включали сами. Потом появились протоколы с тусклым светом, и Даффи и соавторы измерили по ним период у 157 человек.
Короткое изложение того же, без разбора опытов, есть на странице понятия «Циркадные ритмы»: там собраны петля генов, ядро над перекрёстом зрительных нервов и роль света. Урок и страница согласованы по числам и по составу нобелевских лауреатов. Для этого урока важнее другое: каждое число о часах пришло из конкретного опыта, и у каждого опыта есть свой паспорт.
Такую таблицу часов органов часто пересказывают вместе с разговором о циркадных ритмах. В базе курса нет ни одной работы, которая бы её проверяла. Это построение традиционной китайской медицины, а не результат хронобиологии, и опыты этого урока о ней ничего не говорят.
Часы без солнца
Ползунок собственного периода от 23,9 до 24,8 часа учебного человека без подстройки: сколько минут в сутки и часов за месяц уплывают часы. Отметки из работ Даффи, Чейслера и Локли, отдельно старая оценка в 25 часов. Во второй части арифметика пещеры Сифра, которая не сходится сама с собой.
Ключевые исследования
| Ральф, Фостер, Дэвис и Менакер | 1990 | Перекрёстная пересадка ткани СХЯ хомякам с разрушенным ядром, между животными с обычным и укороченным мутацией периодом. Ритм возвращался, и его период всегда был периодом донора. Число животных в аннотации не названо, статья вышла в Science 247, 975-978. |
| Клерман и соавторы | 1996 | Не исследование, а имитация на компьютерной модели: свет, который человек сам включает и выключает, даёт наблюдаемый период около 25 часов при собственном периоде около 24. Для точной оценки нужны свет 10-15 люкс, режим не в такт часам и не меньше 20 дней. |
| Чейслер и соавторы | 1999 | Измерение периода при строгом контроле освещения у молодых и пожилых, с обзором прежних оценок (от 13 до 65 часов, медиана 25,2). Период по мелатонину, температуре и кортизолу в среднем 24,18 часа, число участников курс не сверил. |
| Даффи и соавторы | 2011 | Месячный протокол в стационаре без рандомизированных групп: 157 человек 18-74 лет. Средний собственный период 24,15 часа, у женщин 24,09, у мужчин 24,19, период короче суток у 35 % женщин и 14 % мужчин. |
| Сак и соавторы | 1992 | Ритм мелатонина у 20 полностью слепых. У большинства ритм нарушен, примерно у половины свободнотекущий, у части повторяющаяся бессонница и дневная сонливость. |
| Локли и соавторы | 1997 | Наблюдательное обследование 49 слепых. Из 19 с восприятием света у 14 ритм подстроен нормально, из 30 без восприятия света у 17 ритм свободнотекущий с периодом 24,13-24,79 часа. |
Что подтвердилось, а что нет
Период в среднем длиннее суток, но около 24,15-24,18 часа, а не 25: Чейслер и соавторы 1999 года при строгом контроле света, Даффи и соавторы 2011 года на 157 людях. У 35 % женщин и 14 % мужчин период короче суток. Наблюдаемые в старых опытах 25 часов объясняет свет, который люди включали сами (Клерман и соавторы, 1996).
Мутации одного гена меняют период мух на 19 или 28 часов (Конопка и Бензер, 1971). Ген period выделен в 1984 году, белок PER подавляет собственный ген. Механизм отмечен Нобелевской премией 2017 года (Холл, Росбаш и Янг).
У слепых без восприятия света ритм часто свободнотекущий при обычной жизни: 17 из 30 у Локли и соавторов 1997 года, около половины у Сака и соавторов 1992 года. У слепых, сохранивших восприятие света, ритм чаще нормальный, 14 из 19. Неделя естественного света сдвигает часы примерно на 2 часа (Райт и соавторы, 2013, 8 человек). Путь сигнала через меланопсиновые клетки описан (Берсон, Данн и Такао, Хаттар и соавторы, 2002).
Один человек, оценка по его собственным записям о циклах сна, лампа включалась по его воле. Такие условия, по модели Клерман и соавторов 1996 года, как раз искажают оценку периода. Научной публикации об опыте 1962 года не найдено, а арифметика его ошибки на 25 дней с циклом 24,5 часа не сходится.
Термины
- циркадный ритмcircadian rhythm
- Внутренний ритм с периодом около суток, который продолжает идти без внешних сигналов.
- супрахиазматическое ядроsuprachiasmatic nucleus, SCN
- Парное ядро гипоталамуса над перекрёстом зрительных нервов, главные часы млекопитающих.
- задатчик времениZeitgeber
- Внешний сигнал, который подводит часы к суткам. Главный у человека это свет.
- свободнотекущий ритмfree-running rhythm
- Ритм, который идёт со своим собственным периодом, потому что внешние сигналы до часов не доходят.
- собственный периодintrinsic period, free-running period, tau
- Длина суток внутренних часов без внешних сигналов. У человека в среднем около 24,15-24,18 часа.
- принудительная десинхронизацияforced desynchrony
- Протокол, где человеку задают «сутки» другой длины (например, 20 или 28 часов) при тусклом свете, чтобы измерить собственный период часов отдельно от режима сна.
- ген period и белок PERperiod gene, PER protein
- Первый найденный ген часов у мух и его белок, количество которого колеблется в течение суток.
- меланопсинmelanopsin
- Светочувствительный белок в небольшой группе ганглиозных клеток сетчатки.
- светочувствительные ганглиозные клетки сетчаткиintrinsically photosensitive retinal ganglion cells, ipRGC
- Клетки, которые сами реагируют на свет и передают сигнал в СХЯ.
Практикум · Разбор текста о биологических часах
Статьи о биологических часах часто соединяют проверенное с непроверенным: СХЯ и Нобелевскую премию рядом с «25-часовыми сутками» и таблицей часов органов. Задание в том, чтобы взять один такой текст и развести его утверждения по статусам. Понадобится только сам текст.
- Найдите статью, пост или главу популярной книги о биологических часах или циркадных ритмах. Сохраните ссылку и выпишите все утверждения с числами: длину внутренних суток, часы работы органов, сроки перестройки.
- Для каждого утверждения отметьте, на что текст опирается: на опыт с названными авторами, на рассказ о пещере или бункере, на традиционную медицину или ни на что.
- Если текст называет период «около 25 часов», проверьте, говорит ли он, как этот период мерили и включали ли люди свет сами. Сравните с числами урока: 24,15 часа у Даффи и соавторов и 24,18 у Чейслера и соавторов.
- Проверьте, как текст пересказывает Нобелевскую премию 2017 года: как награду за молекулярный механизм часов или как открытие того, что часы вообще есть. Отметьте и состав лауреатов.
- Поставьте каждому утверждению статус из реестра урока: «выдержало», «сильно ослаблено» или «не было доказательством». Утверждения, которые в уроке не проверены, отметьте отдельно как непроверенные, а не как ложные.
Вопросы для самопроверки
Почему опыт Сифра в пещере 1962 года не мог показать, что период человеческих часов 24,5 часа?
- Сифр пробыл в пещере меньше двух недель, и за такой срок ритм просто не успел проявиться
- В пещере у Сифра остались часы, и он, сам того не замечая, сверялся с ними
- Опыт на самом деле дал ровно 24 часа, а число 24,5 приписали Сифру журналисты
- Один человек сам отмечал свои циклы и включал лампу по своей воле, а такой свет искажает оценку
Откуда в учебниках взялось число «около 25 часов» для внутренних суток человека?
- Из старых опытов в изоляции, где люди сами включали свет и этим удлиняли наблюдаемый период
- Из точных измерений при тусклом свете, которые затем подтвердили на 157 людях в стационаре
- Из опытов на мухах-мутантах, у которых период вышел 28 часов, а вывод перенесли на человека
- Это среднее по полу: у женщин период около 26 часов, у мужчин около 24, в зависимости от возраста
Что показала пересадка супрахиазматического ядра хомякам в опыте Ральфа и соавторов 1990 года?
- Ритм вернулся с периодом хозяина, значит, ядро только запускает часы, а период задают другие ткани
- Ритм не вернулся: часы есть в каждой клетке, и одним ядром их не заменить
- Ритм вернулся с периодом донора, в какую бы сторону ни шла пересадка
- Ритм вернулся лишь у хомяков на солнечном свету, а в темноте пересадка не работала
Почему у многих полностью слепых людей ритм мелатонина уходит от суток, хотя они живут по часам и работают по расписанию?
- У слепых часы ломаются, и собственный период у них вырастает до 28-30 часов
- Слепые меньше двигаются днём, а движение и есть главный сигнал для часов
- Мелатонин у слепых не вырабатывается, поэтому ритму не на что опереться
- Главный сигнал, подводящий часы к суткам, это свет, и расписание его не заменяет
За что Холл, Росбаш и Янг получили Нобелевскую премию по физиологии и медицине 2017 года?
- За молекулярный механизм часов: белок PER подавляет собственный ген, и так идёт цикл
- За открытие того, что у человека вообще есть биологические часы, о которых до XX века не знали
- За проверку таблицы часов органов, по которой печень работает ночью, а лёгкие под утро
- За открытие меланопсина, через который свет попадает в часы
Ответы и разбор открываются в самопроверке урока: она считает результат и отмечает урок пройденным. Пройти самопроверку.
Что читать
- Нобелевское собрание, 2017. Пресс-релиз о Нобелевской премии по физиологии и медицине 2017 года. https://www.nobelprize.org/prizes/medicine/2017/press-release/: Схема петли PER и рисунок с мимозой де Мэрана: за что именно дана премия и почему не за открытие самих ритмов.
- Wright K.P. et al., 2013. Entrainment of the human circadian clock to the natural light-dark cycle. Current Biology, 23(16), 1554-1558. Авторская рукопись: https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC4020279/: Таблица 1: сколько часов в день люди проводили при свете ярче 1000 люкс дома и в походе. Журнальная версия за платной стеной, рукопись открыта.
- Stephan F.K., Zucker I., 1972. Circadian rhythms in drinking behavior and locomotor activity of rats are eliminated by hypothalamic lesions. PNAS, 69(6), 1583-1586. https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC426753/: Короткая классическая статья: что остаётся от суточного ритма крысы после разрушения СХЯ и почему соседняя область не в счёт.
- Интервью Мишеля Сифра журналу Cabinet, 2008. https://www.cabinetmagazine.org/issues/30/foer.php: Как выглядел опыт 1962 года изнутри. Читать как рассказ одного человека: это источник чисел о пещере, но не научное измерение периода.