В течение одних суток на Международной космической станции можно наблюдать 16 рассветов и столько же закатов Солнца. Возникает вопрос: а когда же должны ложиться спать и просыпаться астронавты на орбите? Чтобы на него ответить, надо разобраться, почему и как мы спим.
Что такое сон?
15 марта в мире отмечается Международный день сна. Пребывание в спокойном бессознательном состоянии — биологическая потребность большинства животных на Земле, и человек не является исключением. Процесс этот настолько естественный, что мы даже не задумываемся над тем, что можем попасть в ситуацию, когда сама среда создаст для него значительные проблемы.
Однако место, где со сном стабильно возникают проблемы, существует. Международная Космическая станция (МКС) совершает оборот вокруг нашей планеты примерно за 90 минут. Это означает, что на ее борту за сутки 16 раз наступает темнота, которую с полным правом можно назвать ночью.
Возникает вопрос: как астронавтам, находящимся на борту МКС, надо спать? 16 раз по 45 минут или так же, как они делали это на Земле, или тогда, когда они захотят? Чтобы это понять, нужно углубиться в биологию. На самом деле сон — достаточно сложный процесс. Он имеет несколько фаз, во время которых активируются различные участки мозга. При этом у разных живых организмов функции сна и его течение могут сильно отличаться. Поэтому в дальнейшем стоит говорить именно о сне человека.
Человек — одно из относительно немногих существ на Земле, которое спит лишь один раз в сутки. Эту особенность подарили нам наши предки — дневные приматы. Ночная активность для них была не только бессмысленной, но и опасной, поэтому они использовали это время для отдыха.
В принципе, мы можем заснуть в любое время, когда наше тело сможет полностью расслабиться — например, при сильной усталости. Однако именно ночью нам это сделать легче, чем днем, и именно в это время отдыхает большинство людей.
Ученые совершенно точно установили, что такая ситуация имеет биологическую природу. За сонливость в животном мире Земли отвечает гормон мелатонин. Это химическое вещество вырабатывается железой эпифизом и способно связываться с особыми рецепторами в нашем мозге и подавлять его активность, создавая условия для спокойного отдыха.
Циркадные ритмы
Но почему мелатонин вырабатывается именно в вечернее время и ночью? Ответ на этот вопрос обычно сводят к словам «циркадные ритмы». Так называют колебания уровня гормонов в организме, повторяющиеся каждый день и задающие ритм биохимической активности органов.
При этом стоит заметить, что цикл «сон-бодрствование» — лишь один из нескольких циркадных ритмов. Другие могут отвечать, например, за то, что мы чувствуем голод в определенные часы и знаем, что пришло время ужинать.
Циркадные ритмы есть не только у человека. Собственно, идея о том, что активность биологических объектов в течение суток определяется некими «внутренними часами», появилась сначала в отношении растений. А в 1984 году в ходе экспериментов с грибами вида нейроспора густая было доказано, что циркадные ритмы действительно существуют и имеют эндогенную природу, то есть прямо не зависят ни от освещения, ни от вращения Земли.
В том же году Джефри Холл и Майкл Росбиш, работавшие в Бостоне, смогли определить, что ранее обнаруженный у мух-дрозофил ген PER кодирует белок PER. Последний оказался универсальным для всех живых существ и имел интересные особенности. С помощью достаточно простого механизма он мог стимулировать собственное производство. Это вещество накапливалось в организме ночью и раскладывалось весь день, чтобы вечером снова начать вырабатываться.
У разных организмов PER взаимодействует с разными белками, создавая большое количество комбинаций того, что может происходить. Но в целом это биохимические часы, встроенные непосредственно в живые клетки. Сами по себе они не нуждаются в дополнительной «подзарядке» от внешних факторов и могут относительно уверенно «держать ритм» независимо от происходящего вокруг, но влиять на них в случае необходимости все же возможно.
Сам по себе белок PER не влияет на общую активность мозга. Однако он вырабатывается в гипофизе, разносится по всему организму человека и действует на все железы, где вырабатываются остальные гормоны. И повлиять на эпифиз, который находится рядом внутри человеческого мозга, ему даже легче, чем на что-то еще. Именно он является теми часами, с которыми наш организм сверяется, чтобы определить, когда надо вырабатывать мелатонин, чтобы заснуть.
Можно ли «подкрутить стрелки» на биологических часах?
Иногда можно услышать, что при отсутствии смены естественного освещения человеческий цикл «сна-бодрствования» составляет 25 часов. Эту цифру установили в одном из первых экспериментов, в которых исследовались циркадные ритмы. Из этой работы она попала во многие публикации.
25-часовой циркадный ритм человека очень любят использовать сторонники теории, утверждающей, будто человечество не развилось на Земле, а было привезено инопланетянами с какой-то другой планеты. Ибо как иначе объяснить то, что он не совпадает с привычными 24-часовыми сутками?
На самом деле объяснение значительно проще. В первом эксперименте участники имели возможность самостоятельно определять, когда выключать вечером свет. Пользуясь ею, они оставляли его на дольше и таким образом немного удлинили свой цикл «сна-бодрствования».
Так было обнаружено, что хотя циркадные ритмы и генерируются «внутренними часами» подкорректировать их вполне возможно. Дальнейшие эксперименты показали, что их продолжительность у человека можно искусственно изменить от 20 до 28 часов без наступления каких-либо негативных последствий.
Ключом ко всему оказалось таки освещение. Клетки наших глаз постоянно отправляют биохимические сигналы в супрахиазматическое ядро — часть гипоталамуса, где и происходит синтез белка PER. Если вечером света много, синтез белка подавляется, если же его много утром — ускоряется распад. Так биохимические часы подстраиваются под реальные условия.
При этом посылают сигналы в гипоталамус не только палочки и колбочки, отвечающие за зрение, но и особые ганглионарные клетки. Благодаря этому многие даже полностью слепые люди могут изменять свои циркадные ритмы.
Что же делать на МКС?
Исходя из всех этих знаний, стоит рассматривать проблему сна на МКС. Очевидно, идея спать много раз по 45 минут в течение суток совсем неудачная. Должен быть один период времени, когда будет вырабатываться мелатонин. Этот гормон не умеет включаться/выключаться по команде и быстро. Его присутствие в организме вызывает снижение когнитивных навыков, внимания, усиление утомляемости. Все это — совсем не то, что нужно астронавтам.
По тем же причинам неудачной является и идея спать тогда, когда захочется. Для нормальной работы у человека должен быть четкий распорядок дня. А вот установить, какую часть суток можно определить как «ночь», чтобы именно в это время высыпаться, можно как угодно.
Собственно, придумывать что-то оригинальное и не нужно. МКС живет по всемирному времени, которое в целом совпадает с гринвичским. Поэтому те часы, которые в Лондоне считаются ночными, являются таковыми и на станции. Чтобы создать необходимые условия, автоматика в это время закрывает все иллюминаторы, мешая солнечному свету попадать внутрь, а лампы на самой станции немного приглушают, создавая иллюзию сумерек.
Хотя на самом деле астронавты на все это полагаются достаточно слабо. В условиях низкой гравитации потребность во сне обычно снижается, поэтому отдыхать они могут лишь 5–6 часов в сутки. Очевидно, все это согласовывается с врачом, который следит за их состоянием.
В целом для каждого астронавта часы сна определяются отдельно. У каждого из них есть собственный спальный мешок специальной конструкции. Его назначение — вовсе не согреть человека внутри. На МКС поддерживается постоянная температура, однако там отсутствует гравитация, которая бы «прижимала» тело космического путешественника к какой-то поверхности. И если во сне астронавт начнет летать по отсекам станции, то может получить травмы.
Именно для того, чтобы это предотвратить, спальный мешок оснащен системой ремней. С их помощью астронавт перед сном может зафиксировать себя на какой-то поверхности. На какой именно — неважно, ведь в условиях невесомости любая из них с полным правом может считаться хоть полом, хоть потолком.
Во время сна астронавты сталкиваются с еще одной проблемой. Спать можно только с активной вентиляцией. В противном случае отсутствие движения воздуха приводит к тому, что вокруг головы образуется пузырь из углекислого газа и человек может задохнуться.
Однако вентиляция не может работать тихо — ее звук местами достигает 65 дБ. В таких условиях астронавты вынуждены надевать перед сном беруши. Ну и, конечно, не всем подходит уменьшенное освещение: нужна полная темнота, чтобы циркадные ритмы не сбивались. Организуют ее для себя астронавты по-разному. Кто-то просто надевает на глаза светонепроницаемую повязку, кто-то устраивается спать в собственном отсеке для сна размером с небольшой шкаф. Там можно не только получить желаемое отсутствие света, но и обеспечить приватность, чтобы тебя никто не беспокоил, пока ты отдыхаешь.
Только самые интересные новости и факты в нашем Telegram-канале!
Присоединяйтесь: https://t.me/ustmagazine
