Как часто, поставив будильник на какой-то для нас непривычный час, мы вдруг возвращаемся к действительности из сонного состояния за минуту или меньше до сигнального звонка! Часы не издают перед этим никакого предупреждающего щелчка, и мы полагаемся на звонок, как на преданного слугу. Многим людям даже не нужно заводить будильник. Они просыпаются в назначенный час, словно их будит внутренний часовой механизм.
Вероятно, большинство из нас достигает этой цели, ежедневно поднимаясь в определенное время суток. Часто мы приписываем это привычке, забывая, что мозг не работает как самохронометр, сообщая, что мы проспали некоторое постоянное количество часов. Наши внутренние часы намного лучше любых песочных. У них имеется 24-часовой цикл, достаточно независимый от того, в котором часу мы легли спать. Если мы каждый день подсознательно ставим их на 6. 30 утра, они толкают нас к пробуждению около этого часа, при условии что накануне мы не легли спать совершенно разбитыми.
Вполне вероятно, что после изобретения механических часов, на которые и стали полагаться, мы почти забыли, как пользоваться живым часовым механизмом, находящимся внутри нашей нервной системы. Доктор Густав Экштейн рассказывает забавную историю о покойном швейцарском композиторе Эмиле Жаке Далькрозе, который обычно развлекался со своим сыном во время совместных вечерних прогулок следующим образом. У отца в руках были часы. Он ждал, когда они начнут отсчитывать новую минуту, затем внезапно закрывал циферблат и говорил «три» (или называл другое число по выбору — интервал времени, который нужно оценить). Какое-то время они шли молча, а затем отец и сын выкрикивали: «три» — обычно одновременно. И отец открывал циферблат часов и видел, насколько близкими к истине были их оценки. Жак Далькроз уверял, что любой может играть в эту игру с таким же успехом, если только он будет спокоен и не станет обращать никакого внимания на внешние часы.
Однажды мы проводили рождественские каникулы в Гондурасе, в Заморанской панамериканской сельскохозяйственной школе. Большинство студентов из стран Латинской Америки осталось в школе по очень простой причине: они жили на стипендию, приехали из далеких мест, а поездка домой на каникулы им не оплачивалась. Поэтому на территории школы царило необычайное оживление: каждый вечер в одних комнатах устраивали дискуссии, в других — импровизированные музыкальные концерты. Где бы ни появлялись три, четыре или пять студентов с маримба[23]Музыкальный инструмент, напоминающий ксилофон, но сделанный из дерева. — Прим. перев.
, их тут же окружала группа молодежи. Сначала каждый музыкант как бы разжигал себя сольным номером, исполняя по своему выбору какую-нибудь ритмическую музыку. Затем после некоторого отбора оставалась понравившаяся всем мелодия, и вдруг, словно включался большой оркестр, разом вступали трио, квартет или квинтет. Они продолжали играть слаженно, исполняя партии и сложные вариации, и все это без нот и без дирижера, который поддерживал бы бодрящий ритм. Шесть рук, восемь рук, десять рук, каждая ударяла в нужный момент или застывала на мгновение над инструментом, пережидая синкопированную паузу, столь характерную для музыки Латинской Америки, прежде чем снова ударить по инструменту в определенную долю секунды.
То, что человеческий организм обладает внутренним метрономом такого рода, гораздо менее удивительно, чем если бы у нас его не было. В сущности, у каждого вида животных есть своя система отсчета времени, нечто вроде персонального хронометра, по которому он живет. Многие из этих живых часов с удивительной точностью продолжают идти в течение нескольких дней или даже недель после того, как животных помещают в лабораторные условия, отличающиеся исключительным постоянством во всем, что только можно предусмотреть. Постоянными могут быть интенсивность света, уровень шумов, влажность, атмосферное давление и ассортимент пищи. Изменения температуры имеют меньшее значение, потому что почти все живые часы прекрасно приспособлены к таким медленным изменениям в диапазоне примерно от точки замерзания до температуры чуть выше той, какую имеет кровь человека.
Все часовые механизмы у живых существ должны иметь химическую основу. Конечно, для этого не требуется сложной нервной системы, так как растения и одноклеточные организмы тоже обладают способностью чувствовать время. До сих пор, однако, тщательнее всего изучали животных, пытаясь найти у них неуловимый внутренний хронометр.
Маленькая фруктовая муха Drosophila, которая очень легко проникает в дом сквозь густую оконную сетку и кружит над столом со спелыми фруктами, обычно достигает зрелости примерно за час до рассвета. Это происходит даже в том случае, если поместить личинку в полную темноту на следующий же день после ее появления и держать там 3–4 дня, пока она не превратится в куколку, а затем еще 4–5 дней, пока ткани питающейся дрожжами личинки не преобразуются в тело крылатой взрослой особи. Появление на свет этой маленькой мушки перед самым восходом солнца позволяет ей воспользоваться периодом наибольшей относительной влажности за целые сутки. Мягкотелая муха может полностью развиться в насекомое уменьшенного размера и ее водонепроницаемый внешний покров затвердеет до того, как сухой воздух отнимет у нее минимальный запас влаги.
Если на все время созревания оставить яйца фруктовой мухи в полной темноте, то куколка превратится во взрослую муху не обязательно перед рассветом. Чтобы «завести» свои часы, личинка куколки должна получить по крайней мере одну короткую вспышку света, символизирующую рассвет, более чем за два дня до того, как она из куколки превратится в зрелое насекомое. Обычно эта муха изо дня в день корректирует свой часовой механизм по отношению ко времени рассвета. Но при необходимости муха будет развиваться в темноте без всякой временной коррекции с того момента, когда она впервые завела свои часы, и до тех пор, пока куколка полностью не подготовится к превращению во взрослую муху; затем она будет ждать, пока внутренние часы не подскажут ей, когда наступит определенный час суток, необходимый для окончательного превращения.
Подобные внутренние часы, которые идут по солнечному времени, явно влияют на режим питания многих животных. Тараканы, живущие в темных складах, придерживаются определенного расписания в еде. Москиты в экваториальной Африке кусаются тоже по шкале времени, часто всего лишь полчаса в сутки; в зависимости от вида москиты могут кусаться в поздние сумерки, в полночь или рано утром. Рабочие пчелы спокойно отдыхают в темном улье, пока не наступит час, когда раскрываются их любимые цветы с новым запасом нектара; тогда насекомые улетают собирать сладкий сок. В течение всего лета они приспосабливают свои внутренние часы ко времени, когда раскрываются цветы у определенных растений.
Время приема пищи важно для нас в связи с суточным циклом внутренних часов. Если полететь скоростным самолетом на запад или на восток, то мы окажемся в тех местах, где полдень наступает раньше или позже привычного для нас времени. Прежде чем сесть в направляющийся на запад реактивный самолет, пассажир может перекусить в Нью-Йорке, позавтракать на борту самолета, а по прибытии на западное побережье застанет там людей, которые только собираются завтракать и приглашают его присоединиться к ним в тот час, когда его желудок «требует» ленча. Часы пробуждения и отхода ко сну также смещаются, отклоняясь от привычного расписания, которому он следовал. Обычно путешественнику требуется несколько дней, чтобы переставить свои внутренние часы на новое расписание. Воспользовавшись более медленным транспортом, мы могли бы приспособиться к новому часовому поясу гораздо незаметнее, так как время еды и сна ежедневно сдвигалось бы вперед или назад только на час или два и поэтому не выходило бы за пределы обычных отклонений от жизненных привычек.
Известным утешением нам может служить то, что внутренние часы у животных, по данным науки, тоже расходятся с местным временем, когда этих животных быстро перевозят на запад или восток. На скоростном самолете перевезли парижских пчел в Нью-Йорк, а нью-йоркских в Париж, чтобы проверить, переставят ли насекомые, находящиеся в темных контейнерах, свои часовые механизмы. Однако парижские пчелы продолжали жить в Нью-Йорке по парижскому времени, а нью-йоркские в Париже по нью-йоркскому до тех пор, пока новые раздражители не заставили их перестроиться в соответствии с необычным распорядком сна и приема пищи.
У одного вида насекомых — таракана — недавно обнаружили, где находятся его внутренние часы: это четыре особых клеточки, расположенные под крохотным мозгом. Посредством тонкой хирургической операции эти клетки можно извлечь и пересадить другому таракану, не нарушая часового механизма. В качестве донора можно взять обыкновенного таракана, часовые клетки которого призывают его к действию от 6 вечера до 6 утра, когда на складе выключен свет. Герой дона Маркиза Арчи был как раз таким насекомым. Реципиентом такого трансплантата мог бы стать лабораторный таракан, часы которого приспособились к жизни в таком месте, где ночью лампочки ярко горят, тормозя его активность, а днем, с 6 утра до 6 вечера, шторы спущены и имеется пища. После такой операции лабораторный таракан с часовыми клетками обыкновенного таракана в течение всего дня будет где-нибудь скрываться, а с 6 вечера начнет проявлять активность, даже если он все время будет находиться в полной темноте или при ровном тусклом освещении.
Ручные или стенные часы у человека отрегулированы таким образом, что делят точно на 24 часа время между двумя последовательными пересечениями Солнцем одной и той же воображаемой плоскости, проходящей через Северный и Южный полюса. Если вместо Солнца использовать в качестве ориентира какую-нибудь более отдаленную звезду, то повторное пересечение меридиана будет происходить на 235,91 секунды раньше, чем измеренное по солнечным часам. Можно приспособить хронометры к этому чуть более быстрому расписанию, и они будут показывать звездное время. За 3651/4 солнечных суток — то время, пока Земля совершает оборот вокруг Солнца, — сумма интервалов в 235,91 секунды составит один целый солнечный день — один поворот Земли, совершенный при движении планеты по своей орбите.
Астрономы считают важным звездное время, так как оно помогает им точно нацеливать телескопы, несмотря на движение вращающейся Земли. Однако только недавно было обнаружено, что у некоторых животных есть внутренние часы с циклом в 23 часа 54 минуты 4,09 секунды, если измерять его по нашим обыкновенным наручным и стенным часам. Птицы, которые совершают перелеты по ночам, руководствуясь в пути звездными ориентирами, по-видимому, обладают этим внутренним ритмом и могут применять его при миграциях. Подобное использование сигналов о положении Солнца кажется настолько удивительным, что эти сигналы рассматриваются как часть более сложного чувства направления.
Для очень многих видов животных, как и для человека, проживающего в каком-нибудь прибрежном населенном пункте, самым естественным кажется вопрос: «Когда будет следующий прилив?» Сегодня мы отлично знаем, что воды океана набегают на берег в виде приливных волн под влиянием гравитационного притяжения Луны и Солнца. Но подобно тому как Луна вращается вокруг Земли, Земля вращается и движется по орбите вокруг Солнца. Движения воды определяются очертаниями материков и начинаются с некоторым запозданием — в зависимости от места. В любой точке побережья промежуток между приливами составляет примерно 123/4 часа, а где-то приблизительно в середине этого интервала происходит отлив. Гораздо легче составить целый ряд таблиц, чем сконструировать часы, которые бы учитывали все переменные и предсказывали бы расписание приливов, которое необходимо знать и охотникам за панцирными моллюсками, и самим устрицам.
Устрицы обладают внутренними часами, которые идут по приливному времени. Панцирные моллюски, выловленные в бухте Новой Англии и во влажной упаковке доставленные в Среднезападную лабораторию, продолжают регулировать свою жизнь в соответствии с океанскими приливами, находясь за полторы тысячи километров от них. Ширина щели между створками раковины и потребление моллюском кислорода увеличиваются или уменьшаются в зависимости от того, насколько повышается или понижается уровень их «домашних» вод, а не в соответствии с расписанием приливов, которому можно было бы следовать, если бы Средний Запад был покрыт океаном.
С другой стороны, крабы подчиняются и солнечным и приливным часам. У них наблюдаются сложные ритмичные процессы: пигментные клетки, которые в виде точек покрывают поверхность их тела, то увеличиваются под воздействием гормонов, то сокращаются. Основной солнечный ритм — чередование цвета очень светлой слоновой кости ночью и темного буровато-серого днем — подчеркивается ритмом прилива. Животное ночью во время прилива гораздо бледнее, чем во время отлива, и днем кажется более темным при малой воде, чем при полной. Крабы во время прилива прячутся в норах, а при отливе выползают за пищей. Вероятно, когда краб становится темным, он больше сливается с цветом глины в солончаковых канавах, где днем во время отлива он разыскивает себе пищу.
В лабораторных условиях краб продолжает менять свою окраску даже в полной темноте или при слабом свете, имитирующем освещение его «дома» полной луной. Попрактиковавшись, каждый может научиться читать часы краба, сравнивая окраску его тела со справочной морской картой. Если каждый час регистрировать распределение пигмента, то можно вычертить график, на котором будет отчетливо видно взаимодействие 24-часового «солнечного» и 12,75-часового «приливного» цикла краба.
В районе Морской биологической лаборатории Вудс Хоул (Woods Hole), где было проведено много наблюдений над массачусетскими крабами, этих удивительных маленьких животных можно было собрать либо у Буззардской бухты, либо на берегу Вайньярского залива у Кейп Код (Cape Cod). Полная вода заливает углубления этого мыса примерно на 4,5 часа раньше, чем углубления бухты. Крабы, взятые из этих двух мест и перенесенные в одну и ту же слабо освещенную лабораторию, продолжают придерживаться каждый своего соотношения между солнечным и приливным циклами. Это проявляется даже в тех случаях, когда их везут пароходом на западное побережье Америки или в Европу, если в какой-то момент их не осветить короткой вспышкой яркого света, которая переставляет их внутренние часы — теперь они будут действовать синхронно.
Любого исследователя так и подмывает оторвать взгляд от толстой книги с таблицами приливов, перевести его на небольшую чашку с крабом и спросить себя: «Как у такого маленького животного может быть столь сложно переплетенная система циклов?». Но никакой реальной локализации этой способности у краба установить невозможно. Даже оторванная лапка краба, которую он инстинктивно отбросил во время боя, в течение суток или более будет постоянно менять цвет, подобно всему телу, согласуя солнечный и приливный циклы. Для перестановки же внутренних часов у краба должны остаться в целости по крайней мере один глаз и большая часть нервной системы. Поэтому можно предположить, что краб ощущает время всеми тканями тела.
Искателям жемчуга, проживающим на океанском побережье Америки от мыса Гаттерас до Вест-Индских островов и от Сан-Педро в Калифорнии до Панамы, знакомы клинообразные моллюски, известные под названием раковин помпано или кокина. Они ведут почти точный отсчет приливных ритмов, но не приспосабливают своих внутренних часов к солнечному времени. С началом прилива при шуме набегающей волны они вырываются из песка для того, чтобы вода вынесла их на берег. Как только волна отступает, они быстро прячутся, зарываясь в песок. Но во время отлива эти моллюски, наоборот, вылезают из песка и попадают в отступающую волну, чтобы она снова отнесла их в море; так заканчивается эта миграция, приводимая в действие приливом.
Наши друзья, обитающие в морях, такие, как морские черви и некоторые виды рыб, способны к комбинированному восприятию ритмов прилива, фаз луны и времени года. Сложные внутренние часы позволяют им приурочить брачные обряды к какому-то определенному приливу. Это особенно характерно для тех животных, которые ведут активный образ жизни ночью, когда тень от самой Земли как бы охраняет водные просторы.
Нетрудно понять, как могут палоло или лаурестесы избегать дневного света. Более удивительным, но менее понятным для нас является механизм, при помощи которого они приспосабливают свои действия и к лунному дню, длящемуся 24,8 часа (от одного восхода Луны до другого), и к лунному месяцу, состоящему из 29,5 дня — от одного полнолуния до другого. Однако в октябре и ноябре (когда 3/4 луны освещены солнцем) во время ночного прилива из коралловых рифов Южных морей выползают сегментированные черви палоло и оказываются на поверхности воды в таком огромном количестве, что местные жители устраивают в это время особые ночные праздники — трапезы, на которых главным лакомством считается блюдо из червя палоло.
Картину, напоминающую брачный обряд морских червей, мы наблюдали на Калифорнийском побережье, к югу от Монтерея, как только спустилась ночь и взошла полная луна. Это чудо происходит лишь весной, когда ночной прилив достигает своей наивысшей точки. Только тогда похожие на корюшек лаурестесы превращаются в акробатов и выбрасываются на берег к восторгу тысяч зрителей, которые приходят восхищаться этим чудом, унося домой полные корзины рыбы. Сначала каждая самка лаурестеса пробуравливает песок по вертикали своим хвостом, чтобы отложить яйца. В этот момент вокруг нее на берегу крутятся один или два самца. Затем она извиваясь выскакивает из песка как раз тогда, когда следующая волна может снести ее вместе с ее партнерами обратно в море. В следующие полмесяца, если, конечно, не будет сильного шторма, буруны не забегают так далеко на сушу. К тому времени из яиц лаурестеса разовьются маленькие рыбки, готовые нырнуть в волны и присоединиться к своим родителям в Тихом океане. Ясно, насколько важен здесь расчет времени. Но как лаурестес узнает это время?
Пытаясь выяснить, что же приводит в действие живые часы, ученые преуспели главным образом в том, как остановить или переставить их механизм. Любой человек может временно остановить внутренние часы муравья, просто поместив это насекомое в светонепроницаемую коробку. Внезапная и необычная перемена тут же успокаивает муравья и действует на него так же, как настоящая ночная тьма. Этот простой метод оказывается весьма действенным в отношении многих биологически родственных животных со сложными глазами. Очевидно, когда сигналы от глаз к мозгу внезапно перестают поступать, то механизм времени оказывается блокированным. Но как?
Вероятно, самая заметная остановка в деятельности насекомых происходит во время их развития, что помогает им пережить зиму в тех краях, где регулярно наступает холодная погода. Создается впечатление, что в организме животного существуют не только часы, но и календарь. Поскольку всегда можно без затруднений достать яйца кузнечиков и куколки мотыльков, ведущих себя подобным образом, ученые смогли детально познакомиться с рабочим механизмом этой системы. После нескольких недель холодов с наступлением тепла каждый раз мозг насекомого, видимо, преодолевает паузу в развитии.
Если ранней осенью пересадить мозг от куколки, соответствующим образом охлажденной, в интактную куколку, то он будет служить новой хозяйке будильником, побуждающим ее к дальнейшему развитию. Очевидно, после холодов мозг начинает вырабатывать гормоны, которые преодолевают тормозное действие желез всего организма. Только тогда может завершиться превращение куколки мотылька, в результате которого гусеница преобразуется во взрослого мотылька, готового покинуть куколку и найти себе подругу. Подобные же контролируемые гормонами нервные центры кузнечика приостанавливают развитие его яиц до весны, а затем это развитие продолжается, пока не появится на свет еще не вполне зрелый кузнечик.
Развитие яиц кузнечика и куколки мотылька регулируется сложными химическими веществами. Их календарный механизм, по-видимому, соответствует какому-то аналогичному механизму, благодаря которому зерно приостанавливается в развитии и ждет весны. Но этот механизм не подчиняется ритмам Солнца, приливам или фазам Луны. Внутренний календарь натолкнул нас недавно на новую мысль в чрезвычайно сложном вопросе наследственности: как сосуществуют в каждой клетке процессы созидания и разрушения, какова генетическая основа для окончательного учета клеток, обреченных на гибель.
Яйцо, куколка и семя — все они готовят себя к превращениям, приводящим организм к зрелости, то есть к таким огромным изменениям, которые кажутся нам чудесами. Однако каждая ступень в процессе созревания зависит еще и от нескольких унаследованных инструкций, поступающих из ядра каждой клетки. Гормоны, благодаря которым перед наступлением зимы или засухи живые существа впадают в спячку, задерживают появление новых инструкций из ядерных центров. Они тормозят дальнейшее созревание особи, пока не наступит определенное время года. Фактически они сохраняют юность, как бы помещая ее в холодильник.
Мы могли бы прийти в восторг от этого чудесного гормона, хранителя юности, если бы не существовало еще чего-то, запертого этим химическим веществом в ядре, как в коробке Пандоры. По крайней мере для насекомых, а вероятно, и для человека выход этих последних инструкций, приводящих животных к полному созреванию, сопровождается появлением дегенеративных изменений. В этих инструкциях заложена также и смерть. Механизм наследственности животного почти любого вида включает в себя эту химическую регуляцию, которой должна подчиняться каждая клетка в период своей юности, зрелости и старческого разрушения. Луна начинает идти на убыль, как только наступает апогей полнолуния. Прибывающую луну можно сравнить скорее с появлением нового поколения, чем с воскрешением старого.
Незаметные переходы от молодости к зрелости и от зрелости к старости находятся в полном соответствии с философским положением о непрерывном характере времени. Жизнь представляет собой самый лучший пример вечного изменения и постоянного движения, течения времени и скоропреходящего характера того, что предлагают нашему вниманию органы чувств. Каждое чувство, когда мы с помощью его улавливаем впечатления из окружающего мира, уподобляется пальцу, извлекающему ряд звуков, которые создают нескончаемую симфонию. Музыканты меняются, каждый исполнив свою партию. Но музыка продолжается. Время и пространство являются наиболее бесспорными понятиями, которые нам удалось найти в процессе всех наших размышлений о таинствах Вселенной.