Открытие астронома де Мерана

В 1729 году астроном де Меран, особенно интересовавшийся вращением Земли вокруг своей оси, сделал открытие в совсем иной области. Он обнаружил, что у растений, выдерживаемых в темноте при постоянной температуре, наблюдается такая же периодичность движения листьев, как и у растений, испытывающих чередование света и темноты. Этот факт привлек внимание исследователей, и в последующие годы было проведено немало экспериментов над различными организмами. И выяснилось, что даже простейшие живые существа в условиях постоянного освещения (или темноты) сохраняют ритм колебаний активности и покоя, роста, деления и т. д., приближающийся к 24-часовому циклу. Этот ритм был назван «циркадным».

Серию опытов провели с белкой-летягой, ведущей ночной образ жизни. Ее помещали в клетку с беличьим колесом, снабженным устройством для записи числа оборотов, и держали в полной темноте несколько месяцев. Графики активности летяг, полученные с помощью колеса, со всей очевидностью показали, что белки оживлялись каждый вечер: беготня в колесе начиналась всякий раз через один и тот же промежуток времени, примерно равный суткам.

Эксперименты с мышами обнаружили, что у шести поколений этих животных, непрерывно выдерживаемых при свете, сохранялась одна и та же частота колебаний физиологических функций (двигательной активности; фаз сна и бодрствования и др.), приближающаяся к циркадному ритму.

Большой научный интерес представляют наблюдения за членами экспедиций, находившихся в Арктике, где такой фактор, как ежесуточный восход и заход солнца, отсутствовал. Исследования проводились на Шпицбергене в период полярного дня. Они показали, что непрерывное двухмесячное дневное освещение не действует заметным образом на циркадную ритмику физиологических процессов людей, прибывших из средних широт.

Таким образом, по современным научным представлениям, у всех растений и животных, помещенных в так называемые постоянные условия, проявляется физиологическая ритмичность циркадного типа. С этим и связана идея о существовании в организмах «биологических часов», от которых зависит регулирование физиологических процессов.

В основе регуляции физиологических функций одноклеточных организмов и растений в циркадном ритме лежат, очевидно, внутриклеточные биохимические процессы. Их ритмичность выработалась в результате приспособления к суточной периодичности дня и ночи на нашей планете. Интересный материал об этом читатель сможет найти в книге А. М. Эмме «Часы живой природы».

Опыты немецкого ученого Г. Клюга показали, что у червей, членистоногих и других беспозвоночных животных суточную ритмику физиологических функций регулирует нервная система.

Английская исследовательница Жаннет Харкер, имевшая дело с тараканами, этими типичными ночными животными, обнаружила, что у них роль главных «биологических часов» выполняет подглоточный нервный узел, выделяющий определенные химические вещества. Когда у насекомого, долго находившегося на свету и потерявшего четкий ритм двигательной активности, удаляли его нервный узел и заменяли другим, взятым от ритмически активной особи, деятельность оперированного животного через несколько дней становилась четко ритмической, причем новый ритм соответствовал ритму таракана-донора.

Наиболее сложны физиологические механизмы регуляции циркадного ритма у высших животных. У них есть сравнительно простые регуляторы, тесно связанные с обменом веществ, и более сложные, которые координируются мозгом. При этом суточная периодичность сна и бодрствования сохраняется у животных даже после удаления коры. Точно так же остается и суточная ритмика колебаний температуры тела, обменных процессов, частоты пульса, кровяного давления и других вегетативных функций. Значит, центры циркадной регуляции находятся в подкорковых образованиях и в стволовой части головного мозга. Но отсюда вовсе не следует, что кора не принимает участия в регуляции физиологических функций. Именно благодаря условнорефлекторной деятельности коры полушарий животное наилучшим образом приспосабливается к постоянно изменяющейся внешней среде.

Известно, что некоторые люди обладают удивительной способностью чувствовать время: они безошибочно определяют час дня, хорошо различают временные промежутки, длительность пауз и т. д.

Поскольку в межпланетном полете космонавты будут находиться в постоянных условиях без привычных геофизических воздействий (смена дня и ночи, сезонные изменения), возникает вопрос, в какой степени человек сможет оценивать циркадную ритмику физиологических процессов, то есть пользоваться «биологическими часами».

Для имитации космического полета, как уже говорилось, используются сурдокамеры, позволяющие устранять некоторые геофизические факторы.

В. И. Мясников провел следующий опыт. Человек, находившийся в сурдокамере, знал о том, что эксперимент продлится семь суток, но у него не было часов и отсутствовал четкий распорядок дня. По инструкции он мог ложиться спать, есть, заниматься гимнастикой когда хотел. Через несколько дней он утратил чувство времени, в чем убеждали его отчеты по радио. Субъективно время для него протекало медленней, чем на самом деле. В частности, он подготовился выйти из сурдокамеры на 14 часов раньше намеченного срока.

В другом эксперименте группу людей поместили в специально оборудованный бункер глубоко под землей, куда не проникали никакие звуки. «Подопытные» были полностью предоставлены самим себе. От них зависело, когда они будут принимать пищу, ложиться спать, пробуждаться. Наблюдали за ними с помощью специальной аппаратуры, регистрировавшей физиологические функции. За 18 суток участники опыта «отстали» от астрономического времени на 32,5 часа, то есть их сутки состояли не из 24, а почти из 26 часов.

Интересны данные французских спелеологов, которым сурдокамеру заменили глубокие пещеры. В 1962 году Мишель Сифф провел в одной из них два месяца. Из его отчета явствовало, что в условиях одиночества и отсутствия связи с внешним миром для испытуемого вскоре «распалась связь времен». Через тысячу часов (более 40 суток) ему казалось, что прошло лишь 25 суток. А когда опыт закончился и друзья пришли за Сиффом, он заявил: «Если бы я знал, что конец так близок, я бы давно съел оставшиеся помидоры и фрукты».

Три года спустя опыт повторили еще двое ученых — Антуан Сонни и женщина-спелеолог Жози Лозез. Когда на 122-й день пребывания в пещере Антуану Сонни сообщили, что наступило 2 апреля 1965 года и скоро он поднимется на поверхность, испытуемый был крайне удивлен, так как, по его подсчетам, было лишь 6 февраля.

В 1967 году восьмерка венгерских ученых провела под землей в одной из пещер Будайских гор ровно месяц. Члены экспедиции не имели ни часов, ни радиоприемника. И когда они получили по телефону приказ подняться на поверхность, оказалось, что их время на четверо суток отстало от действительного. При этом «биологические часы» в первые 10 дней у всех членов экспедиции вели себя, так сказать, синхронно, а потом начались расхождения.

Не менее интересны эксперименты по «спрессовыванию» и «растягиванию» времени в постоянных условиях.

Группу людей снабдили специально отрегулированными часами, которые шли вперед или отставали (но об этом никто не знал!), и из Англии перевезли на Шпицберген, где в летние месяцы день не отличишь от ночи. Живя изолированной колонией в необитаемом районе, члены экспедиции вели сравнительно нормальную жизнь — правда, по своим неправильно идущим (но у всех одинаково неверных!) часам. Оказалось, что если суточный цикл изменялся, выходя за определенные пределы (то есть сутки сокращались не меньше и не больше чем на три часа), люди этого изменения не замечали. Каждый опыт длился 6 реальных недель. Таким образом, при 21-часовой схеме 8 экспериментальных суток составляли 7 реальных, а при 27-часовой схеме те же 8 экспериментальных суток соответствовали 9 реальным.

Эксперименты по «затягиванию» и «спрессовыванию» суток проводились и в сурдокамере. Во время опыта испытатель Г-ко не почувствовал, что его часы отстают ежедневно на 180 минут и, следовательно, продолжительность суток возрастает для него до 27 часов. Когда эксперимент через 15 суток закончился, он долго не мог понять, почему его прекратили почти на двое суток раньше.

Таким образом, хотя физиологические процессы человека при постоянных условиях продолжают сохранять какое-то время циркадную ритмичность, однако ориентироваться без «времядатчиков» человек уже не в состоянии.

Но раз это так, то, казалось бы, в длительных межпланетных полетах целесообразно сохранить для членов экипажа привычную ритмику земных суток. Тем не менее, по всей вероятности, это будет невозможно.

Как уже говорилось, главной функцией оператора в системе «человек — машина» при ее нормальной работе является наблюдение за показаниями приборов.

Спрашивается, как долго космонавт, несущий вахту, может находиться в нормальном рабочем состоянии, или, другими словами, когда у него появится утомление, которое может отразиться на качестве его деятельности? Сейчас исчерпывающе ответить на этот вопрос невозможно. Однако, используя данные, накопленные физиологией и психологией труда, ученые ищут путей к определению оптимального срока вахты в космическом полете.

Многочисленные данные свидетельствуют о том, что через 5–6 часов наблюдения, даже при бесперебойной работе автоматических устройств, бдительность человека постепенно снижается, а значит, уменьшается его надежность как звена в системе «человек — машина». Кроме того, оператор устает быстрее, если у него возникают какие-нибудь отрицательные эмоции.

Если учесть, что на космонавта будут постоянно влиять неблагоприятные факторы (в том числе и большая продолжительность полета), то, видимо, утомление на космической вахте наступит раньше чем через 5–6 часов. Очевидно, оптимальный срок работы в этих условиях не должен превышать четырех часов (с обязательным предварительным сном). Такой вывод подтверждается отчасти практикой длительных автономных плаваний подводных лодок.

Как читатель, вероятно, помнит, состав экипажей первых межпланетных кораблей будет ограничен. Поэтому организовать четырехчасовую вахту в течение земных суток будет трудно (если вообще возможно). А нельзя ли как-то искусственно изменить продолжительность суток, повлияв на ритм жизнедеятельности людей?

Вот результаты наблюдений за работниками метрополитена, которые длительное время (от 6 до 22 лет) выходили на работу только в ночную смену. Несмотря на многолетний стаж работы исключительно в ночную смену, почти ни у кого суточный ритм физиологических функций не перестроился.

Обследовались также работники бригад, обслуживавших товарные поезда. У людей этой профессии сутки часто бывают раздроблены последовательным чередованием сна и работы, причем без строгого графика. Иными словами, налицо типичный пример нарушения суточного стереотипа. Оказалось, что в течение ряда лет организм все-таки приспосабливается к отсутствию постоянного режима и к необычному ритму жизни. Выражается это в том, что люди могут быстро засыпать в любое время суток, даже тогда, например, когда дневному сну (при длительной стоянке поезда) предшествовал нормальный ночной сон дома. Однако и такой режим труда и отдыха не изменял обычных кривых суточных колебаний физиологических функций.

Интересны наблюдения за теми, кому приходилось совершать перелет в другие районы Земли, когда время «сдвигается» на 6–12 часов. Под влиянием смещенного ритма геофизических факторов и жизни окружающих людей у этих лиц в течение нескольких дней (обычно не более 15) происходит акклиматизация: все физиологические процессы перестраиваются в соответствии с новыми условиями существования, тогда как при измененном режиме суток, но в привычной среде такая перестройка, как мы уже видели, не наблюдается даже в течение нескольких лет.

Перестройка ритма физиологических функций растений и животных в основном зависит от действия света и температуры. Хотя живые организмы и способны поддерживать циркадную ритмику, это вовсе не означает, что постоянная ее частота обязательно сохранится при любых условиях. Ведь организм — «открытая система», он все время находится под влиянием окружающей среды и приспосабливается к ее изменениям. В частности, такие факторы, как свет и температурные воздействия, служат в условиях Земли своеобразными датчиками времени. Они являются как бы сигналами для синхронизации циркадного ритма физиологических функций и астрономического времени.

Еще И. П. Павлов доказал, что чем выше организовано животное, тем быстрее и лучше оно приспосабливается к изменяющимся условиям внешней среды. Это происходит благодаря образованию временных связей в коре головного мозга. Именно с помощью механизма условных рефлексов к изменяющейся ситуации подлаживается безусловнорефлекторная деятельность, к которой относится и циркадная ритмика физиологических функций.

С развитием космической техники начались эксперименты по изучению различных режимов суточной деятельности в условиях, имитирующих космический полет. Опыты показали, что чем сильнее отклоняется режим жизнедеятельности человека от привычного, тем тяжелее это переносится. Вообще при смене обычного режима новым у космонавтов на вторые-пятые сутки восстанавливается прежняя работоспособность, и они начинают засыпать в отведенные новым распорядком часы. Но соответствующая перестройка физиологических функций (пульс, дыхание, температура тела, обменные процессы и т. п.) наступала лишь на 8–15-й день, хотя «подопытные» все-таки продолжали отсчитывать время обычными земными сутками. Причем особенно трудно было приспособиться тем, кто пытался представить себе, что происходит в данное время вне сурдокамеры. По всей вероятности, и на межпланетном корабле будет бортовое и земное время. В какой-то степени с подобной системой отсчета сталкиваются многие люди на нашей планете и ныне. Например, жители Владивостока, живя по местному (поясному) времени, при необходимости соотносят его с московским временем.

Надо полагать, что при разработке суточного режима для каждого конкретного межпланетного полета будут учитываться число членов экипажа, объем работы, наличие помещений для отдыха и т. д. Не исключено, что ритм космических суток будет выглядеть примерно так: 4 часа операторской деятельности, 4 часа активного отдыха и 4 часа сна. В период активного отдыха космонавты не ограничатся физическими тренировками. Для ликвидации утомления необходима рационально организованная смена видов деятельности. Поэтому, вероятно, часть времени после несения вахты у космонавтов займут научные эксперименты, обобщение полученных результатов. Для ликвидации «сенсорного голода» огромное значение приобретет творчество, о котором мы еще расскажем подробней.

Напряженная работа головного мозга в часы бодрствования, его постоянное реагирование на бесчисленные раздражители внешней среды, как известно, приводят к истощению многих клеток коры. Их работоспособность восстанавливается, когда человек спит. Вот почему на межпланетном корабле необходимо создать условия для полноценного сна космонавтов.

Опыт восьмисуточного полета космического корабля «Джеминай-5» показал, что спать по очереди в рабочем помещении весьма трудно. Космонавты Г. Купер и Ч. Конрад жаловались на то, что малейший шум, даже перелистывание бортового журнала, будили их, поскольку в кабине вообще-то царила полная тишина. Следовательно, необходимость специального бытового помещения на межпланетном корабле не вызывает сомнений. Если же туда все-таки станут проникать шумы, придется, может быть, создавать «звуковой подпор», то есть монотонный шум, напоминающий морской прибой, дождь с ветром и т. д. Он заглушит нежелательные звуки и поможет заснуть.

Но дело не только в специальном помещении и звуковой изоляции. Космонавты должны выработать в себе способность при необходимости засыпать быстро.

Исследования убеждают в том, что четырехчасовой сон после восьми часов бодрствования позволяет в условиях сурдокамеры восстановить работоспособность человека полностью. Вместе с тем при организации распорядка на космическом корабле важно установить для каждого члена экипажа строго постоянные часы вахт, активного отдыха и сна. Несомненно, что дальнейшие эксперименты на Земле, а также опыт орбитальных полетов позволят уточнить и отработать оптимальные ритмы космических суток.

Пробуждение талантов

Многие необычные психические состояния в условиях изоляции появлялись, как правило, у тех, кому нечем было себя занять в часы, не регламентированные программой. Этот факт весьма симптоматичен: он убеждает в том, что для борьбы с «сенсорным голодом» в длительном полете космонавт должен научиться интересно проводить свое время, противостоять скуке и, следовательно, обманам чувств.

Как уже говорилось, во время опытов в сурдокамере космонавтам и испытателям давалась определенная программа деятельности, занимавшая 4 часа в сутки. В остальное время они были предоставлены самим себе. Но если первым космонавтам (Гагарину, Титову, Николаеву и Поповичу) разрешалось пользоваться книгами, другие космонавты этого были лишены. В их распоряжении находились лишь набор цветных карандашей, бумага, деревянные чурбачки и нож. Перед ними ставилась задача — найти наиболее интересный для себя способ, как проводить свободное время, но конкретных указаний они не получали.

Первые дни в свободное время они знакомились с обстановкой в сурдокамере, изучали инструкции и нередко сидели, просто ничего не делая. Начиная со второго-третьего дня большинство из них оживлялось и начинало чем-то заниматься, притом не без увлечения. Если в начале опыта они готовились к операторской деятельности намного раньше положенного срока, то, найдя себе интересное занятие в свободное время, они с трудом и с некоторым сожалением отрывались от него.

Занятия эти были различны и зависели от индивидуальных склонностей каждого.

Титов в сурдокамере читал вслух стихи любимых поэтов, Попович пел украинские песни. Космонавты делали из дерева и подручных материалов (салфеток и ваты для протирания кожи, вышедших из строя деталей электрофизиологических датчиков и др.) различные модели и игрушки, писали рассказы и стихи. Вот один из образцов их творчества.

«Повесть о том, как я жил в сурдокамере

Это не путешествие. Я бы скорее назвал приключение. Эта записка (я назвал ее с юмором повестью) не столь интересна и занимательна, как произведения, скажем, Хвата „Пришедшие издалека“, Стефана Цвейга „Магеллан“, Теннера „30 лет среди индейцев“. И все-таки вам любопытно будет узнать мир сурдокамеры, переживания человека в ней. Совсем не героя-исполина, а такого же, как вы сами.

Эти строки я пишу в сурдокамере на исходе четвертого дня. Возможно, гораздо красивее рассказ выглядел бы, если его написать после сурдокамеры, сидя в кресле за письменным столом. Но я боюсь забыть все переживания, боюсь исказить действительность.

Перед тем как попасть сюда, я много думал об этом грозном испытании. Режим сурдокамеры мне был знаком достаточно хорошо. Здесь можно жить и по прямому графику и по обратному. График предполагает время, по которому живет испытуемый. Первый полностью совпадает с астрономическим временем, а по второму получается так: когда во внешнем мире день, в сурдокамере — ночь.

Признаться, мне очень не хотелось жить по обратному графику. Это же еще дополнительная трудность. Надо сказать, что последнее время в моей жизни было много треволнений, и я надеялся, что врачи будут гуманны.

Но вот последняя беседа, и ведущий врач, Олег Николаевич, в категорической форме заявил: „Вообще это как раз не курорт, будете жить по-обратному!“ Приговор был окончательным и обжалованию не подлежал.

Собираю свои небольшие пожитки: спортивный костюм, логарифмическая линейка, пачка бумаги, карандаши и зубная паста. Мыться буду тампоном ваты, смоченным розовой водой, а зубы чистить языком.

И все-таки я протащил одну „незаконную вещь“ — несколько одуванчиков, которые выкопал буквально перед входом в сурдокамеру. Вдруг очень захотелось взять с собой чуточку весны. Олег Николаевич увидел мой весенний букет и ничего не сказал. Право, не знаю, из каких соображений была позволена мне такая вольность.

И еще, я был растроган, когда меня спросили, какой концерт подготовить ко дню выхода. Попросил куплеты Мефистофеля и арию Фигаро в исполнении Муслима Магомаева, арию князя Игоря, любую запись концерта Эдиты Пьехи…»

Один из космонавтов попробовал свои силы в стихотворном жанре.