Spis treści

1. Spis ilustracji

2. Spis tabel

3. Wykaz skrótów

4. Wstęp

1. Tykanie zegara biologicznego

2. Wielki sen

3. Co mam nadzieję osiągnąć

5. Rozdział 1. W biały dzień

1. Pytania i odpowiedzi

6. Rozdział 2. Pradawne dziedzictwo

1. Fazy snu REM i NREM

2. Sen NREM, pamięć i lęk

3. Sen REM, marzenia senne i nastrój

Tytuł oryginału: Life Time

Przekład: Zuzanna Jakubowska-Vorbrich
Opieka redakcyjna: Dominika Kowalska
Redakcja: Aleksandra Ptasznik
Korekta: Sara Szulc-Przewodowska, Magdalena Świerczek-Gryboś
Projekt okładki: Joanna Wasilewska/KATAKANASTA

Copyright © Russell Foster, 2022
First published as LIFE TIME in 2022 by Penguin Life, an imprint of Penguin General. Penguin General is part of the Penguin Random House group of companies.
Copyright for the Polish edition and translation © JK Wydawnictwo, 2025

Wszelkie prawa zastrzeżone. Żadna część tej publikacji nie może być powielana ani rozpowszechniana za pomocą urządzeń elektronicznych, mechanicznych, kopiujących, nagrywających i innych bez uprzedniego wyrażenia zgody przez właściciela praw.

ISBN 978-83-68262-50-6
Wydanie I, Łódź 2025

JK Wydawnictwo
ul. Krokusowa 3, 92-101 Łódź
tel. 42 676 49 69
www.wydawnictwofeeria.pl

Wersję elektroniczną przygotowano w systemie Zecer

Elizabeth, Charlotte, Williamowi i Victorii – z miłością.
Pamięci Amy Foster (17 sierpnia 1933 – 28 listopada 2020).

Spis ilustracji

Il. 1. Przykłady zmian w ludzkiej fizjologii w ciągu doby

Il. 2. Ludzki mózg i SCN

Il. 3. Zmiany natężenia światła w środowisku i przybliżone wartości wrażliwości czopków, pręcików oraz fotoreceptorów pRGC w ludzkim oku

Il. 4. Wzorce snu i czuwania

Il. 5. Prowadzące do jajeczkowania zmiany stężenia estrogenu i progesteronu podczas cyklu miesiączkowego

Il. 6. Dobowa zmienność zdolności poznawczych u osób dorosłych i nastolatków

Il. 7. Model zależności między chorobami psychicznymi a SCRD

Il. 8. Zmiany okołodobowe w zapadalności na choroby i natężeniu objawów

Il. 9. Mechanizmy wzrostu i spadku poziomu glukozy we krwi. (A) Wzrost poziomu glukozy(B) Spadek poziomu glukozy

Il. 10. Układ immunologiczny

Spis tabel

Tab. 1. Wpływ SCRD na biologię człowieka

Tab. 2. Czynniki mogące złagodzić objawy SCRD

Wykaz skrótów

ADHD zespół nadpobudliwości psychoruchowej z deficytem uwagi

ADP adenozyno-5’-difosforan

ANP przedsionkowy peptyd natriuretyczny

ASA kwas acetylosalicydowy

ASD zaburzenia ze spektrum autyzmu

ASPD zespół przyśpieszonej fazy snu

ATP adenozyno-5’-trifosforan

ßA ß-amyloid (blaszki amyloidowe)

BMI wskaźnik masy ciała

BPH łagodny przerost prostaty

BSB Rada Standardów Bankowych

BST brytyjski czas letni

CBD kannabidiol

CBTi terapia poznawczo-behawioralna bezsenności

COVID-19 choroba spowodowana przez koronawirus SARS-CoV-2

CPAP stałe dodatnie ciśnienie w drogach oddechowych; metoda leczenia bezdechu sennego

CSA ośrodkowy bezdech senny

DDAVP desmopresyna

DSD czuwak, system zapobiegający zaśnięciu podczas prowadzenia pojazdu

DSPD zespół opóźnionej fazy snu

DST czas letni

EEG elektroencefalogram

EMA Europejska Agencja Leków

EMF pole elektromagnetyczne

FDA Agencja Żywności i Leków

FSH folikulotropina, hormon folikulotropowy

GABA kwas gamma-aminomasłowy

GMT czas uniwersalny

GnRH gonadoliberyna

HbA1c hemoglobina glikowana

hCG ludzka gonadotropina kosmówkowa

HDL lipoproteina o wysokiej gęstości („dobry” cholesterol)

HTZ hormonalna terapia zastępcza

IPP inhibitor pompy protonowej

IVF zapłodnienie in vitro

LDL lipoproteina o niskiej gęstości („zły” cholesterol)

LE emitujący światło

LH hormon luteinizujący, lutropina

NAFLD niealkoholowa choroba stłuszczeniowa wątroby

NASH niealkoholowe stłuszczeniowe zapalenie wątroby

NDD zaburzenie neurorozwojowe

NREM sen głęboki

nVNS nieinwazyjna stymulacja nerwu błędnego

OBS obturacyjny bezdech senny

OCD zaburzenie obsesyjno-kompulsyjne

OHS zespół hipowentylacji otyłych

OPN4 gen kodujący melanopsynę

PD choroba Parkinsona

PKC kinaza białkowa C

PMDD przedmiesiączkowe zaburzenia dysforyczne

PMS zespół napięcia przedmiesiączkowego

POChP przewlekła obturacyjna choroba płuc

pRGC światłoczuła komórka zwojowa siatkówki

PRR receptor rozpoznający wzorce/patogeny

PTSD zespół stresu pourazowego

RBD zaburzenia zachowania podczas snu REM

REM sen REM, sen paradoksalny

RLS zespół niespokojnych nóg

SBD zaburzenia oddychania podczas snu

SCN jądra nadskrzyżowaniowe

SCRD zaburzenia snu i rytmu okołodobowego

SDB zaburzenia oddychania w czasie snu

SRED zaburzenia odżywiania związane ze snem

SRMD zaburzenia ruchowe związane ze snem

SSRI selektywne inhibitory zwrotnego wychwytu serotoniny

SWS sen wolnofalowy

THC tetrahydrokannabinol

TIA przemijający atak niedokrwienny

TNF czynnik martwicy nowotworów

TST całkowity czas snu

Wstęp

Niczego w życiu nie należy się bać, należy to tylko zrozumieć. Teraz nadszedł czas, aby zrozumieć więcej, abyśmy mogli mniej się bać.

Maria Skłodowska-Curie

Już czterdzieści lat temu, jako student zoologii, wiedziałem, że chcę zostać naukowcem. Nie miałem jednak pojęcia, co to właściwie oznacza ani z czym się wiąże. Określenie „wewnętrzny zegar” zaś było jedynie mglistym pojęciem w moim rozkojarzonym, niefrasobliwym umyśle. Tym niemniej na ostatnim roku studiów pierwszego stopnia zgłosiłem się na ochotnika do pomocy przy międzynarodowej konferencji poświęconej rytmom biologicznym. Praca nie była wymagająca, więc kręciłem się tu i tam, słuchając wystąpień ówczesnych ekspertów w tej dziedzinie. Z właściwą młodości pewnością siebie – a może arogancją – założyłem, że naukowe sławy będą chciały rozmawiać ze mną równie mocno, jak ja pragnąłem porozmawiać z nimi. W większości przypadków wspaniałomyślnie poświęcali mi swój czas, nauczyłem się jednak, że nie należy zagadywać pewnego mocno sędziwego profesora podczas śniadania (niesłychane, jak wiele może powiedzieć kamienna cisza i spojrzenie utkwione w tłustej kiełbasce…). To doświadczenie ukształtowało mnie pod wieloma względami, a wiedzę naukową chłonąłem jak gąbka. Nie zdawałem sobie wtedy jeszcze sprawy, że to sympozjum zdefiniuje moje zainteresowania na całe życie i zapali iskrę ambicji, by dołączyć do owej wspaniałej międzynarodowej grupy badaczy studiujących szybko rozwijającą się naukę o czasie biologicznym. Moja kariera naukowa – od czasów licencjatu aż po obecne stanowisko profesora w dziedzinie neuronauki okołodobowej i dyrektora Instytutu Snu i Neuronauki Okołodobowej im. sir Julesa Thorna (Sir Jules Thorn Sleep and Circadian Neuroscience Institute) w Oksfordzie – pozwoliła mi uczyć się od specjalistów z całego świata, a czasem również dzielić się moją wiedzą z nimi. Niniejsza książka stanowi poniekąd kwintesencję wiedzy na temat czasu biologicznego, jaką posiadłem w ciągu czterdziestu lat pracy. Mam nadzieję, że będę potrafił przekazać ci choć część entuzjazmu, zachwytu i czystej przyjemności, które przez te lata były moim udziałem.

W ciągu ostatnich dziesięcioleci nastąpił wysyp ekscytujących odkryć naukowych bezpośrednio lub pośrednio dotyczących wewnętrznego zegara i dwudziestoczterogodzinnych cykli, które rządzą naszym życiem. Dobowy wzorzec snu i czuwania jest dla wszystkich najbardziej oczywisty. Co zaskakujące, w większości książek zagadnienia wewnętrznego zegara i snu omawiane są osobno, tymczasem najnowsze badania dowodzą, że takie podejście do sprawy pozwala nam zobaczyć tylko część obrazu. Nie da się pojąć zjawiska snu bez zrozumienia wewnętrznego zegara, który z kolei reguluje się, gdy śpimy. W książce, którą czytasz, oba te tematy traktowane będą łącznie, jako dwie dogłębnie ze sobą splecione gałęzie biologii, od których zależy nasze zdrowie. W wielu przypadkach twoja zdolność do odniesienia sukcesu, do bezpiecznego powrotu z pracy samochodem czy do skutecznego stosowania diety odchudzającej zależy od tego, czy działasz w zgodzie ze wspomnianymi cyklami dobowymi, czy przeciwko nim. Badania naukowe, w tym medyczne, przyniosły tyle nowych informacji na temat rytmów okołodobowych, że czasem trudno jest odróżnić fakty od fikcji. Gdy mowa o zdrowiu, sensowne porady brzmią zazwyczaj jak kategoryczne rozkazy wykrzyczane przez starszego chorążego na paradzie: Musisz spać osiem godzin! Musisz dzielić łóżko z chrapiącym partnerem! Przed snem nie wolno ci używać czytników elektronicznych emitujących światło! Dlatego zamiast lojalnych przyjaciół widzimy w rytmach biologicznych wroga, którego trzeba zwalczyć, ujarzmić i pokonać. A przecież powinniśmy je rozumieć i akceptować.

W niniejszej książce postanowiłem omówić badania naukowe na temat wewnętrznego zegara oraz snu, aby przybliżyć ci niektóre ze zdumiewających i ekscytujących odkryć w tej dziedzinie. Mam nadzieję, że udało mi się to zrobić w przystępny sposób, a lektura będzie dla ciebie zajmująca i przyjemna. Czerpię z własnych doświadczeń, zgromadzonych w ciągu czterdziestu lat mojej pracy naukowej w tej dziedzinie, oraz niosących wielki pożytek dyskusji z przyjaciółmi i kolegami po fachu, których badania bezpośrednio przyczyniły się do naszego obecnego rozumienia czasu biologicznego. Przytaczam dowody naukowe wspierające naszą obecną wiedzę, tak by każdy mógł wykorzystać je do podejmowania bardziej świadomych decyzji zmierzających do poprawy życia: żebyśmy lepiej sypiali, korzystniej planowali dzień, a nawet zażywali leki czy szczepili się o najwłaściwszej porze. Ta książka pozwoli ci także lepiej zrozumieć zachowania innych: dlaczego nastolatki i osoby starsze mają kłopoty z regenerującym snem, dlaczego nastrój i zdolność do podejmowania decyzji mogą zmieniać się w ciągu dnia i dlaczego ryzyko rozwodu wzrasta u osób wykonujących pracę zmianową. Często podkreślam jednak, że każdy z nas jest inny; choć uogólnienia są możliwe, to przyjmowanie „wartości średnich” może być czasem mylące. Mimo że przeciętna długość cyklu miesięcznego u kobiet wynosi 28 dni, występuje ona tylko u 15% kobiet. Zegar biologiczny i biologię snu można porównać do rozmiaru buta: uniwersalny rozmiar nie istnieje, a zmuszanie wszystkich do noszenia tego samego numeru obuwia byłoby nie tylko niemądre, ale potencjalnie szkodliwe. Brak uznania tej różnorodności sprawia, że porady oferowane przez media albo nadmiernie upraszają sprawę, albo są kompletnie nieskuteczne.

Wzorce snu oraz rytmy dobowe wynikają z naszych genów, podejmowanych działań, otoczenia i – jak większość naszych zachowań – nie są stałe. Wpływają na nie nasze interakcje ze środowiskiem i przemiany, jakie zachodzą w organizmie od narodzin aż do starości. Od dzieciństwa aż po zaawansowaną dorosłość wewnętrzny zegar i wzorce snu ulegają głębokim zmianom, które wcale nie muszą być czymś negatywnym. Powinniśmy przestać się zamartwiać naszym snem i przyjąć do wiadomości, że „odmienny” nie musi oznaczać „gorszy”. Część rad, jakie słyszymy, może nie mieć potwierdzenia w rzeczywistości, zwłaszcza gdy wywodzą się z mrocznej sfery „mądrości ludowej”. Ta pradawna „mądrość” może sięgać nawet dalej niż spisana historia ludzkości. Z kolejnych rozdziałów dowiemy się jednak, że powtarzanie pewnej idei niekoniecznie gwarantuje jej prawdziwość. Na przykład: „Trzymanie dziecka do góry nogami sprawi, że będzie lepiej spało”. Zgodnie z tym prastarym przekonaniem obracanie dziecka głową w dół miało resetować jego zegar biologiczny, żeby spało w nocy, a czuwało za dnia. Absolutnie nie ma dowodów na to, by taka strategia mogła przynieść pozytywne rezultaty. Opowieść ta mogła natomiast zrodzić się z desperacji opiekunów. Przewlekły niedobór snu, szczególnie u rodziców, może fatalnie wpłynąć na osąd i zdolność do racjonalnego działania! Innym często powtarzanym mitem jest opinia, że melatonina wydzielana przez przysadkę mózgową jest hormonem snu. Nie jest – a w następnych rozdziałach wyjaśnię dlaczego.

Moim zdaniem każdy z nas – jako jednostka i członek społeczeństwa – powinien przyswoić sobie najnowsze wyniki badań naukowych dotyczących czasu biologicznego i działać zgodnie z nimi. Po co zawracać sobie tym głowę? Żebyśmy w tym skomplikowanym i wymagającym świecie cieszyli się najlepszym możliwym zdrowiem fizycznym i umysłowym. Taka wiedza pomoże nam w zmaganiach z różnorakimi kłodami, które życie rzuca nam pod nogi. Ale to jeszcze nie wszystko. Jeśli chcesz żyć pełnią życia, pobudzić kreatywność, podejmować sensowne decyzje, cieszyć się towarzystwem innych ludzi i patrzeć pozytywnie na świat oraz na wszystko, co ma ci do zaoferowania, życie w zgodzie z czasem biologicznym może ci w tym pomóc. Powinniśmy przecież jak najlepiej wykorzystać czas, jaki jest nam dany – a może nawet go wydłużyć!

Tykanie zegara biologicznego

Przyrodzona gatunkowi ludzkiemu arogancja sprawia, że większość z nas zakłada wyższość człowieka nad prymitywnym światem biologii i sądzi, że wolno nam robić, co chcemy i kiedy chcemy. To założenie leży u podstaw dzisiejszego społeczeństwa działającego w trybie 24/7 i gospodarki zależnej od pracowników zmianowych, którzy nocą zaopatrują supermarkety, sprzątają biura, dbają o funkcjonowanie globalnych usług finansowych, chronią nas przed przestępcami, naprawiają infrastrukturę drogową i kolejową, a także – naturalnie – czuwają nad chorymi w chwilach, gdy są oni najbardziej potrzebujący. Wszystko to dzieje się w czasie, gdy większość ludzi śpi, albo przynajmniej stara się zasnąć. Praca na nocną zmianę jest najbardziej oczywistym czynnikiem zakłócającym nasz wewnętrzny zegar i sen. Wiele osób śpi zbyt krótko, starając się wcisnąć jeszcze więcej pracy i rozrywki w swój codzienny grafik, a gdy ten zaczyna pękać w szwach, przesuwa „dodatkowe” zajęcia na noc. Możemy w pełni wykorzystywać godziny nocne dzięki szeroko zakrojonej komercjalizacji światła elektrycznego, którego użycie rozpowszechniało się w świecie od lat 50. XX wieku. Dzięki temu niezwykłemu wynalazkowi mogliśmy wypowiedzieć wojnę nocy oraz – nie zdając sobie do końca sprawy z tego, co robimy – odrzucić zasadniczą cechę naszej biologii.

Nie możemy jednak robić wszystkiego, co chcemy i kiedy chcemy. Naszą biologią zawiaduje dwudziestoczterogodzinny zegar, który mówi nam, kiedy jest najlepszy czas na sen, jedzenie, myślenie i wykonywanie mnóstwa innych ważnych czynności. To wewnętrzne przystosowanie pozwala nam funkcjonować optymalnie w dynamicznym świecie, precyzyjnie „dostrajając” naszą biologię do wymogów cyklu dnia i nocy, spowodowanego dwudziestoczterogodzinnym obrotem Ziemi wokół własnej osi. By ciało człowieka działało jak należy, potrzebuje konkretnych substancji we właściwym miejscu, w odpowiedniej ilości i w precyzyjnie wyznaczonym momencie. Tysiące genów musi włączać się i wyłączać w określonym porządku. Proteiny, enzymy, tłuszcze, węglowodany, hormony i inne związki są wchłaniane, rozkładane, metabolizowane i produkowane w dokładnie określonym czasie, żebyśmy mogli rosnąć, rozmnażać się, dokonywać przemiany materii, ruszać się, tworzyć wspomnienia, chronić i regenerować nasz organizm. Wszystko to wymaga mechanizmów biologicznych i zachowań gotowych do wdrożenia we właściwym momencie. Bez precyzyjnej regulacji, jaką zapewnia nasz wewnętrzny zegar, cała nasza biologia pogrążyłaby się w chaosie.

Jak na stosunkowo nową gałąź nauk biologicznych i medycznych, biologia okołodobowa sięga korzeniami znacznie głębiej, niż moglibyśmy się spodziewać, a mianowicie do schyłku lat 20. XVIII stulecia. Prowadzono wtedy badania nad rośliną noszącą łacińską nazwę Mimosa pudica. Drugi człon oznacza „nieśmiała, wstydliwa, kurcząca się”, a mimoza nazywana jest też „czułkiem”. Liście tej znanej ogrodnikom rośliny z rodziny bobowatych po dotknięciu lub potrząśnięciu składają się i opadają, by po kilku minutach otworzyć się na nowo. Prócz reakcji na dotyk, liście składają się w nocy i rozwijają w dzień. Mimozy badał francuski uczony, Jean-Jacques d’Ortous de Mairan.

Dla naszej opowieści najważniejszym odkryciem de Mairana było to, że w kompletnej ciemności liście mimozy przez kilka dni nadal rytmicznie składają się i rozkładają. Badacz był zaskoczony: w oczywisty sposób cyklu tego nie napędzało następstwo światła i ciemności – a zatem co? Może zmiany temperatury? Hipotezę o dobowych wahaniach temperatury sprawdził w 1759 roku inny francuski naukowiec, Henri-Louis Duhamel du Monceau. Zabrał rośliny do kopalni soli, gdzie panowały stała temperatura i ciemność. Liście zachowywały się tak samo. Przeszło sto lat później szwajcarski uczony, Alphonse de Candolle, również analizował fizjologię mimozy w stałych warunkach i dowiódł, że swobodny rytm składania i rozwijania liści powtarza się nie w cyklu dwudziestoczterogodzinnym, ale raczej co 22–23 godziny.

W ciągu kolejnych 150 lat rytmy dobowe powtarzające się w stałych warunkach w cyklu zbliżonym do 24 godzin zaobserwowano u wielu roślin i zwierząt. Nazwano je potem rytmami okołodobowymi[1]. U ludzi zaczęto je badać stosunkowo późno. Dowodów, że i my je posiadamy, dostarczył Nathaniel Kleitman pod koniec lat 30. XX wieku. Od 4 czerwca do 6 lipca 1938 roku Kleitman i jego student Bruce Richardson przebywali w głębi Jaskini Mamuciej w stanie Kentucky (Stany Zjednoczone). W środku panowała stała temperatura wynosząca 12,2°C. Warunki nie były jednak do końca stałe: nie docierało tam naturalne światło, dlatego oświetlenie zapewniały latarnie. Badacze musieli dzielić jaskinię z ciekawskimi szczurami i karaluchami. By powstrzymać je od wchodzenia na posłanie, nogi prycz mężczyźni umieścili w szerokich naczyniach wypełnionych płynem odkażającym. Kleitman i Richardson zapisywali, o której godzinie kładą się spać i wstają, oraz notowali dobowe wahania temperatury ciała. Ich obserwacje wykazały, że nadal funkcjonowali w mniej więcej dwudziestoczterogodzinnym rytmie snu i czuwania oraz fluktuacji temperatury.

Z prawdziwego znaczenia tych obserwacji nie zdawano sobie sprawy aż do lat 60. Jeden z pionierów w dziedzinie badania rytmów okołodobowych, Jürgen Aschoff, zbudował podziemny „bunkier” w Andechs, bawarskim mieście słynącym z klasztoru benedyktynów, w którym od 1455 roku produkowano piwo. Uczestnicy badania, studenci, jeśli akurat nie przebywali w przyklasztornej piwiarni, spędzali czas w bunkrze, stale oświetlonym przyćmionym światłem, izolowani od wszelkich zewnętrznych bodźców wskazujących porę dnia. Mieli jednak dostęp do lampek nocnych, więc i tym razem warunki oświetleniowe nie były całkowicie niezmienne. Przez wiele dni spisywano między innymi dane dotyczące cykli snu i czuwania studentów, temperaturę ciała, częstotliwość oddawania moczu. Okazało się, że we wspomnianych prawie stałych warunkach podlegały one rytmicznemu wzorcowi dobowemu zbliżonemu do 24 godzin. Dzięki tego rodzaju eksperymentom ustalono, że ludzki zegar biologiczny działa w cyklu wynoszącym około 25 godzin. Nowsze badania przeprowadzone przez zespół Charlesa Czeislera na Harvardzie sugerują natomiast, że nasz wewnętrzny zegar tyka w rytmie bliższym 24 godzinom i 11 minutom. Ta różnica zawsze stanowiła punkt sporny w dyskusjach Aschoffa i zespołu z Harvardu. Dziś przyjmuje się, że wynikała ona z używania lampek nocnych podczas eksperymentów w bunkrze. Aschoff był wybitną postacią i wiele się od niego nauczyłem, zarówno pod względem naukowym, jak i towarzyskim. Jakieś 25 lat temu w trakcie kursów letnich w Bawarii uczestniczyłem w przyjęciu. W pewnym momencie otworzyłem butelkę wina, a kilka minut później rozległ się ryk Aschoffa: „Kto nie zdjął korka z korkociągu?!”. Gdy się przyznałem, Aschoff powiedział: „Nigdy tego nie rób, to szczyt złych manier!”. Odtąd nigdy więcej mi się to nie zdarzyło.

Do lat 60. rytmy okołodobowe utrzymujące się w stałych warunkach, o cyklu trwającym mniej więcej 24 godziny, zaobserwowano u wielu gatunków roślin i zwierząt, również ludzi. Wszyscy (no dobrze, prawie wszyscy) przyjęli, że rytmy te są endogenne, czyli powstają dzięki procesom biologicznym zachodzącym w organizmie. Jak we wszystkich dziedzinach nauki, które nie podlegają władzy dyktatorskiej, tak i w tym przypadku brakowało powszechnej zgody. Różnice zdań są jednak zjawiskiem pozytywnym – zmuszają badaczy do doskonalenia eksperymentów, tak by argumenty potwierdzające testowaną hipotezę były jak najmocniejsze. Najgłośniej protestował wybitny profesor Frank Brown z Uniwersytetu Północno-Zachodniego w Chicago. Jego zdaniem rytmami biologicznymi musiał sterować jakiś naturalny cykl geofizyczny, jak elektromagnetyzm, promieniowanie kosmiczne czy też inna, niepoznana jeszcze siła. Głównym i całkiem rozsądnym argumentem Browna był fakt, że nie istnieje mechanizm biologiczny funkcjonujący niezależnie od temperatury otoczenia. Gdy temperatura rośnie, reakcje biologiczne przyśpieszają, ochłodzenie natomiast je spowalnia; a żeby zegar funkcjonował precyzyjnie, musi zachowywać to samo tempo działania. Niezbędne były dalsze badania; te przeprowadzone nad roślinami i zmiennocieplnymi owadami wykazały, że zegary biologicznie rzeczywiście są precyzyjne – i to pomimo olbrzymich wahań temperatury środowiska. Brown się mylił, ale rzucone przez niego wyzwanie zaowocowało eksperymentami, które ostatecznie dowiodły, że zegary biologiczne „biorą poprawkę” na temperaturę. Endogenne, dwudziestoczterogodzinne zegary biologiczne musiały zatem istnieć naprawdę!

Wewnętrzny zegar umożliwia organizmowi nie tylko kontrolowanie, ale i przewidywanie czasu różnych zdarzeń, a przynajmniej przewidywanie regularnych zmian w środowisku. Jak wspominałem, nasze ciało potrzebuje konkretnych substancji we właściwym miejscu, w odpowiedniej ilości i w precyzyjnie wyznaczonym momencie doby – nasz zegar przewiduje te zróżnicowane potrzeby. Organizm przygotowuje się do kolejnego dnia, zanim on nadejdzie, żeby jak najlepiej skorzystać z „nowego” środowiska bez zbędnej zwłoki. Ciśnienie krwi i tempo przemiany materii rosną jeszcze przed świtem. Budzi się wtedy wiele innych procesów biologicznych. Gdybyśmy polegali jedynie na swojej reakcji na światło wschodzącego słońca, przełączając się ze snu w czuwanie, to tracilibyśmy cenny czas potrzebny na aktywowanie zużycia energii, działania zmysłów, układu odpornościowego, mięśni i układu nerwowego. Przejście ze snu w stan czuwania zajmuje kilka godzin, więc słabo przystosowana biologia naszych ciał działałaby na naszą niekorzyść w walce o przetrwanie.

Jak dotąd omówiliśmy dwie z trzech zasadniczych cech wewnętrznego zegara okołodobowego: zdolność do pracy w cyklu wynoszącym około 24 godzin w stałych warunkach i do utrzymywania tego rytmu pomimo dużych wahań temperatury otoczenia, czyli do kompensacji temperatury. Trzecia cecha to synchronizacja z warunkami zewnętrznymi. Jest niezwykle istotna; szerzej omówimy ją w rozdziale 3. Być może jestem w tej kwestii mało obiektywny, bo poświęciłem zjawisku synchronizacji większość mojej kariery. Jak wspominałem, zegary okołodobowe nie funkcjonują w cyklu wynoszącym dokładnie 24 godziny, ale tykają nieco szybciej lub nieco wolniej. Przypominają poniekąd stary mechaniczny zegar dziadka, który codziennie trzeba regulować, żeby pokazywał prawdziwy czas astronomicznej doby. Gdyby nie był regularnie nastawiany, wkrótce by się rozsynchronizował i pokazywałby godzinę niezgodną z faktyczną porą dnia lub nocy. Zegar biologiczny byłby podobnie bezużyteczny, gdyby nie odnosił się do czasu lokalnego. Dla większości roślin i zwierząt – łącznie z nami – najważniejszym sygnałem do synchronizacji wewnętrznego dnia ze światem zewnętrznym jest światło, a w szczególności zmiany jego natężenia związane ze wschodem i zachodem słońca. Oko człowieka i innych ssaków wychwytuje świt i zmierzch, co pozwala dostroić rytmy okołodobowe. Utrata oczu uniemożliwia synchronizację. Ludzie, którzy stracili oczy na skutek choroby genetycznej, nieszczęśliwego wypadku czy w walce, dryfują przez czas; jeszcze przez kilka dni wstają i kładą się do łóżka o właściwej porze, lecz potem tracą poczucie czasu i chcą spać, jeść i działać nie wtedy, kiedy powinni. Ich wewnętrzny zegar funkcjonujący w cyklu 24 godzin i 15 minut potrzebowałby mniej więcej 96 dni, by ponownie wskazać godzinę 12 w południe o tej samej porze – z każdym dniem spóźniałby się o kolejne 15 minut. Niewidomi doświadczają czegoś podobnego do wiecznego jet lagu – są „ślepi na czas”, co omówię ze szczegółami w kolejnych rozdziałach.

Wielki sen

Chociaż cykl snu i czuwania jest najbardziej oczywistym z rytmów okołodobowych, na spotkaniach naukowych, w których brałem udział na początku kariery, prawie nikt o nim nie mówił. W tamtych czasach sen wydawał się zbyt mglistym i enigmatycznym zjawiskiem, żeby można było ustalić coś pewnego na jego temat. Ponadto kojarzył się z abstrakcyjnymi zagadnieniami filozoficznymi, takimi jak „umysł”, „świadomość” i „marzenia senne”. Dla większości z nas był zbyt nieprzenikniony. Ten początkowy brak zainteresowania snem widoczny u większości badaczy rytmów okołodobowych (ze mną włącznie) odzwierciedla odmienne początki nauki o rytmach okołodobowych i nauki o śnie. Pierwsi badacze wewnętrznego zegara byli biologami studiującymi rośliny i zwierzęta. Badania nad snem natomiast wzięły swój początek z nauk medycznych i rejestracji aktywności elektrycznej ludzkiego mózgu – tak zwanych fal mózgowych. Również dziś sen bada się przy użyciu elektroencefalografii (EEG), a szczególne zainteresowanie budzą zmiany w zapisach EEG widoczne podczas poszczególnych faz snu albo w czasie choroby. Opierając się na rozmiarze i częstotliwości fal mózgowych oraz na ruchach oczu i aktywności mięśni osoby śpiącej, sen podzielono na fazy: REM, czyli fazę szybkich ruchów gałek ocznych (rapid eye movement) oraz trzy fazy NREM, w czasie których szybki ruch oczu nie występuje. Gdy czuwamy, obraz EEG ukazuje drobne i szybkie wahania aktywności elektrycznej mózgu, ale gdy zapadamy w sen NREM, stają się one coraz większe i wolniejsze, aż pogrążymy się w najgłębszym śnie, zwanym snem wolnofalowym (slow-wave sleep, SWS). Następnie EEG ponownie pokazuje szybkie, drobne wahania, gdy wchodzimy w fazę REM, którą nazwano „snem paradoksalnym”, ponieważ zapis EEG przypomina ten podczas czuwania. W fazie REM doświadczamy też paraliżu od szyi w dół, podczas gdy pod powiekami nasze oczy poruszają się szybko na boki – stąd nazwa. Fazy REM i NREM występują naprzemiennie co 70–90 minut; w trakcie nocy występuje 4–5 takich cykli, a budzimy się w sposób naturalny podczas fazy REM. W 1953 roku – około 15 lat po eksperymencie w Jaskini Mamuciej – Nathaniel Kleitman i inny student, Eugene Aserinsky, odkryli i nazwali fazę REM i połączyli ją z najbardziej żywymi i zawiłymi marzeniami sennymi. Jeśli masz psa, zauważyłeś pewnie, że podczas snu czasami skomle albo warczy, a jego łapy wykonują ruchy, jakby gonił królika. Zachowania te doprowadziły niektórych badaczy do wniosku, że podczas fazy REM właściwie wszystkie ssaki mają marzenia senne. Jeśli natomiast nie masz psa, zawsze możesz przyjrzeć się w takiej chwili partnerowi lub partnerce. To fascynujące, ale uważaj, bo jeśli akurat w tym momencie się obudzi i zobaczy, jak się przypatrujesz, może poczuć się dziwnie!

Tak naprawdę dopiero w ciągu ostatnich 20 lat, a zwłaszcza minionych 10, badacze rytmów okołodobowych i snu zaczęli prowadzić poważne rozmowy i jeździć na wspólne sympozja, które są teraz organizowane w taki sposób, by przyciągnąć naukowców z obu dziedzin. Uważam się za badacza rytmów okołodobowych oraz snu. Co więc przyciągnęło mnie do tego ostatniego? Mogę wskazać konkretny moment, który o tym zadecydował: była to pewna krótka dyskusja, która niesłychanie mnie zirytowała. W poprzedniej pracy spędzałem sporo czasu w budynku, gdzie urzędowali neurolodzy i psychiatrzy. Któregoś dnia w 2001 roku wpadłem na pewnego psychiatrę w jednej z kiepsko funkcjonujących wind w szpitalu Charing Cross w zachodnim Londynie.

– Pracujesz nad snem, prawda? – zagadnął mnie.

– Nie – odparłem uprzejmie. – Nad rytmami okołodobowymi.

– Moi pacjenci ze schizofrenią fatalnie sypiają – kontynuował, puszczając moją odpowiedź mimo uszu. – Moim zdaniem to dlatego, że nie mają pracy. Chodzą spać późno, późno wstają, nie zdążają do kliniki, alienują się i nie mogą się z nikim zaprzyjaźnić.

„Bezrobocie” jako wyjaśnienie problemu ze snem nie miało dla mnie większego sensu, więc połączyłem siły z innym psychiatrą, by zbadać wzorce snu wśród 20 pacjentów cierpiących na schizofrenię. Porównywaliśmy ich z grupą bezrobotnych w tym samym wieku. Wyniki zwaliły mnie z nóg. Wzorzec snu i czuwania u pacjentów ze schizofrenią nie był po prostu nieprawidłowy: był kompletnie zrujnowany i zupełnie inny od wzorca snu u bezrobotnych, którzy sypiali podobnie jak ludzie mający pracę.

Osoby ze schizofrenią spędzały bardzo mało czasu we śnie wolnofalowym (albo w ogóle u nich nie występował), a faza REM miała u nich nietypowy przebieg. Chciałem się dowiedzieć, z czego wynikały zaburzenia snu u tych pacjentów. Tak zaczęły się moje badania nad snem osób z chorobami psychicznymi, a potem także z innymi problemami zdrowotnymi. Co ciekawe, w czasie minionej dekady z różnych powodów wielu spośród moich kolegów studiujących rytmy okołodobowe również zainteresowało się tematem snu i rozpoczęło swoje badania. Może z wiekiem zyskaliśmy na mądrości albo na odwadze? Co jednak ważniejsze, nowe pokolenie neuronaukowców uzbrojonych w zaawansowane technologie zdecydowało się badać sen i zaczęło dostarczać nowych, zadziwiających informacji na ten temat.

Chociaż wciąż wiele pytań fundamentalnej natury pozostaje bez odpowiedzi, sen nie jest już „czarną skrzynką”, za jaką uważano go w czasach, gdy zaczynałem swoje badania. Nowe wybitne prace naukowe pozwoliły nam zrozumieć, w jaki sposób sen jest generowany w mózgu i jakim wpływom otoczenia podlega. Wiemy ponadto, że większość naszych wspomnień powstaje właśnie w czasie snu. Wtedy też rozwiązujemy problemy i przetwarzamy emocje; z organizmu usuwane są niebezpieczne toksyny, które gromadzą się podczas stanu czuwania. Ścieżki metaboliczne się regenerują, a zapasy energii wracają do równowagi. Jeśli jednak nie śpimy wystarczająco długo, funkcje mózgowe, stany emocjonalne i zdrowie fizyczne szybko ulegają pogorszeniu. Sen złej jakości czyni nas podatniejszymi na przykład na chorobę niedokrwienną serca (chorobę wieńcową), cukrzycę typu 2, infekcje, a nawet nowotwory. Krótko mówiąc, sen decyduje o naszej możliwości funkcjonowania za dnia, a jego brak czy też zakłócenia rytmu okołodobowego wywierają olbrzymi wpływ na nasze zdrowie i samopoczucie. Choć dysponujemy licznymi dowodami na to, jak istotne znaczenie ma sen, w którym spędzamy aż 36% życia, wciąż nie jest on w pełni doceniany przez wiele sektorów społecznych. W trakcie pięcioletniej nauki studenci uczelni medycznych mają zaledwie jeden czy dwa wykłady na temat snu, dotyczące głównie aktywności elektrycznej mózgu, nie zaś najnowszych doniesień naukowych na temat snu i rytmów okołodobowych, które stanowią temat niniejszej książki. Opinia publiczna ma na temat snu dość kiepskie pojęcie. Pracodawcy zakładają, że ich pracownicy przystosują się do wymogów zatrudnienia na nocną zmianę. Nie mają jednak racji, a ich podwładni mogą zapaść na poważne choroby, nadmiernie przybrać na wadze czy gorzej rozumować; są też bardziej narażeni na rozwody i wypadki drogowe. Społeczeństwo coraz chętniej przełącza się w tryb 24/7, starając się wcisnąć coraz więcej aktywności w przeładowane grafiki, czego ofiarą niestety padł sen.

Co mam nadzieję osiągnąć

Moim nadrzędnym celem jest przekazanie ci konkretnych informacji i praktycznych porad, bazujących na najnowszych badaniach naukowych. Dzięki nim lepiej zrozumiesz, co wprawia w ruch wskazówki twojego wewnętrznego zegara, a przede wszystkim zyskasz możliwość użycia tej wiedzy do takiego zarządzania czasem, jakie przyniesie ci najwięcej korzyści, bez względu na wiek czy inne okoliczności. Chcę też obalić parę mitów i rozprawić się z różnymi stereotypami, na przykład z takim, że nastolatki są leniwe, a menadżer wstający o 4 nad ranem i rozpoczynający pracę przed świtem to wzór do naśladowania. Jak się przekonasz, niniejsza książka szeroko omawia rozmaite aspekty biologii człowieka; mam nadzieję, że zainspiruje cię do dalszego pogłębiania wiedzy na wiele z poruszonych tematów.

Każdy z rozdziałów koncentruje się na konkretnym zagadnieniu. Relacjonuje badania naukowe na jego temat, a następnie skupia się na kwestiach wpływających na nasze zdrowie i samopoczucie. Niektóre z opisów naukowych mogą wydawać się nieco zawiłe, ale są niezbędne, aby zrozumieć swoje zdrowie i biologię. Książka jest zorganizowana w taki sposób, aby bez trudu można było dla przypomnienia sięgnąć do wcześniejszych części. Każdy rozdział zakończony jest sekcją pytań i odpowiedzi. Są to pytania często zadawane mnie i moim kolegom badaczom. Te sekcje zawierają dodatkowe, czasami nieoczywiste informacje. Pragnę podkreślić, że moim celem nie jest udzielanie porad medycznych; zawsze szukaj ich u swojego lekarza. Chcę ci jednak pokazać, że pewne działania mogą okazać się istotne dla twojego zdrowia i dla uniknięcia potencjalnych zagrożeń. Chodzi tu między innymi o to, dlaczego najlepiej jeść posiłki, trenować czy przyjmować leki o określonej porze i dlaczego nie powinniśmy prowadzić samochodu we wczesnych godzinach porannych. Ale nie zamierzam grozić ci palcem! Pragnę jedynie dostarczyć ci najnowszych informacji, które możesz przyjąć lub odrzucić – ale podejmiesz tę decyzję z pełną świadomością konsekwencji swoich działań.

W książce zamieściłem również dodatki. Dodatek 1 dostarczy ci wskazówek, jak prowadzić dziennik snu, by monitorować swój wzorzec snu i czuwania. Zawiera także kwestionariusz, który pomoże ci ustalić twój chronotyp: czy jesteś typem słowika, sowy, a może typem neutralnym. Dodatek 2 omawia układ immunologiczny, zagłębiając się nieco w zawiłości tej jakże ważnej części naszej biologii, opisanej w rozdziale 11. Jeśli chodzi o szczegóły, książka zawiera przypisy do licznych publikacji; przewodnikiem był dla mnie jeden z moich bohaterów naukowych, Thomas Henry Huxley, który powiedział: „Skoro niedostateczna wiedza jest niebezpieczna, to gdzie znajdę kogoś, kto wie wystarczająco dużo, by uniknąć niebezpieczeństwa?”. By pomóc ci poszerzać ową „niedostateczną wiedzę” zawartą w książce, powołałem się na istotne artykuły naukowe, z których czerpałem informacje. Wiele spośród tych artykułów już teraz można (lub wkrótce będzie można) przeczytać online w wolnym dostępie, za darmo. Większość artykułów naukowych można przeczytać bez opłat na portalach czasopism specjalistycznych 12 miesięcy po publikacji drukiem.

Mam nadzieję, że lektura tej książki sprawi ci przyjemność, a rozwijająca się nauka o rytmach okołodobowych zainspiruje cię do zastosowania jej odkryć na korzyść własnego zdrowia, szczęścia i dobrego samopoczucia. Liczę również na to, że – po odpowiednio długiej refleksji – zgodzisz się ze mną, że akceptacja tej wiedzy pozytywnie wpływa na twoją kreatywność, podejmowanie decyzji, czerpanie satysfakcji ze spotkań z ludźmi oraz spoglądanie na świat i wszystko, co ma nam do zaoferowania, z większą ciekawością i zachwytem.

Oksford, styczeń 2022 r.

Rozdział 1

W biały dzień

Czym jest wewnętrzny zegar?

Gdy wstałem dziś rano, wiedziałem, kim jestem; sądzę jednak, że od tego czasu kilkakrotnie się zmieniłem.

Lewis Carroll

Synkopa to termin muzyczny oznaczający złożenie kilku różnych rytmów w jednym utworze. Przez analogię, nasza biologia jest synkopowana, a my jesteśmy tego rezultatem. Cały nasz organizm działa na bazie rytmów. Impulsy elektryczne generowane przez układ nerwowy, bicie serca, wydzielanie hormonów z gruczołów dokrewnych, skurcze mięśni regulujące trawienie i wiele innych procesów napędzają endogenne, rytmiczne zmiany w organizmie. Niektóre z tych rytmów związane są z miejscem, w którym żyjemy.

Jednym z najstarszych wyzwań intelektualnych, jakim musiały sprostać wszystkie cywilizacje, było zrozumienie natury świata. Obecny rozkład planet w naszym Układzie Słonecznym ustalił się około 4,6 miliarda lat temu. Ziemia, jak inne planety, powstała na skutek grawitacji przyciągającej wirujące gazy i pyły, z których uformowały się osobne ciała niebieskie. Ziemi przypadło miejsce trzeciej z kolei planety obracającej się wokół Słońca. Na skutek licznych kolizji z innymi obiektami we wczesnej fazie była stopioną bryłą. Sądzi się wręcz, że około 100 milionów lat po uformowaniu się Układu Słonecznego w proto-Ziemię uderzył obiekt wielkości Marsa, nazwany Theią, a z części materii wyrzuconej w przestrzeń na skutek tej kolizji powstał Księżyc. Naukowcy uważają, że zderzenie wytrąciło Ziemię z jej dotychczasowej osi obrotu dobowego, która teraz odchyla się o około 23,4° względem osi obrotu wokół Słońca, a ponadto „chwieje się” o kilka stopni. Właśnie to odchylenie powoduje, że podczas obrotu wokół Słońca na Ziemi występują pory roku. Przez część roku półkula północna nachylona jest w kierunku Słońca (lato), a południowa odchylona w przeciwną stronę (zima). Sześć miesięcy później sytuacja jest odwrotna. Co najważniejsze, przyciąganie grawitacyjne Księżyca stabilizuje odchylenie osi ziemskiej, zmniejszając wspomnianą „chwiejność”. Dlatego przez miliardy lat na Ziemi utrzymywał się stosunkowo stabilny klimat, a wielu badaczy sądzi, że gdyby nie ów stabilizujący wpływ Księżyca, życie na Ziemi w ogóle nie mogłoby powstać. Parafrazując piosenkę Rolling Stonesów – wszyscy jesteśmy dziećmi Księżyca[2].

Podsumujmy: żyjemy dziś na względnie stabilnej planecie, której wiek wynosi około 4,5 miliarda lat, a pełny obrót wokół własnej osi trwa 24 godziny, a ściślej rzecz biorąc, 23 godziny, 56 minut i 4 sekundy. Miej więcej 600 milionów lat temu, gdy złożone życie dopiero powstawało, doba trwała tylko 21 godzin, a więc Ziemia zwalnia. Ale to inna historia. Nasza planeta wykonuje pełny obrót dookoła Słońca w czasie 365,26 dnia, a jej nachylenie odpowiada za zmiany pór roku. Księżyc okrąża Ziemię co około 29,53 dnia, a oddziaływanie grawitacyjne obu ciał niebieskich odpowiada za pływy. Wszystkie te ruchy geofizyczne generują dzień, noc, pory roku, przypływy i odpływy. U większości form życia wykształciły się rozmaite wewnętrzne zegary, które potrafią przewidywać co najmniej jeden, a czasami wszystkie cykle zmian w środowisku: dobowy, roczny i księżycowy.

Rytmiczność jest tak wszechobecną cechą życia i codziennego doświadczenia, że traktujemy ją jak coś oczywistego. Obojętność na to zjawisko nie powinna w zasadzie zaskakiwać. Zazwyczaj nie odczuwamy, co się dzieje z naszymi narządami, a w społeczeństwach uprzemysłowionych naturalny cykl dnia i nocy został zniesiony przez światło elektryczne i ogrzewanie. Dla większości z nas słońce nigdy tak naprawdę nie zachodzi, a pory roku nie dyktują nam już, co mamy jeść albo gdzie mieszkać. Żywność jest powszechnie dostępna. W Zjednoczonym Królestwie możemy teraz kupić truskawki z Kenii albo z Kalifornii przez cały rok, choć jeszcze 25 lat temu ograniczał nas sezon na te owoce, trwający tylko 6 tygodni. Wystarczy pstryknąć przełącznikiem i w domu lub w pracy robi się ciepło. Żyjemy w izolacji od cykli środowiskowych, które rządziły naszą ewolucją. Głównym celem niniejszej książki jest ponowne zaznajomienie cię z jednym z nich: trwającym 24 godziny cyklem dnia i nocy.

Zadaniem fizjologii jest zrozumienie, jak funkcjonują organizmy żywe. To szeroka dyscyplina nauki, obejmująca takie zagadnienia jak procesy molekularne wewnątrz komórek, praca układu nerwowego, regulacja wydzielania hormonów, funkcjonowanie narządów czy powstawanie wszelkiego rodzaju zachowań. Fizjologia człowieka, tak jak większości innych zwierząt, zorganizowana jest wokół dwudziestoczterogodzinnego cyklu aktywności i odpoczynku. Podczas fazy aktywnej, gdy organizm poszukuje żywności i wody, jego narządy muszą być przygotowane do pobierania, przetwarzania, przyswajania i magazynowania składników odżywczych. Funkcjonowanie

Il. 1. Przykłady zmian zachodzących w ludzkiej fizjologii w ramach cyklu dobowego. Na diagramie przedstawiono zmiany, jakim podlegają rozmaite procesy i zjawiska fizjologiczne w ciągu doby: wydzielanie melatoniny przez szyszynkę (zob. il. 2)[3]; wydzielanie hormonu wzrostu przez przysadkę mózgową[4]; temperatura ciała[5]; wydzielanie kortyzolu – „hormonu stresu” – przez nadnercza[6]; dokładność wykonywania zadań na mnożenie, obrazująca jedną z naszych zdolności poznawczych[7]. Wiele spośród hormonów wydzielanych jest „pulsacyjnie”, tak więc ukazana została uśredniona wartość ich stężenia w danym momencie doby. Trzeba tu wspomnieć o dwóch ważnych kwestiach. Po pierwsze, przedstawiłem wartości średnie, a między poszczególnymi osobami należy spodziewać się różnic co do najwyższych wartości stężenia hormonów, długości czy amplitudy cykli. Po drugie, wiele spośród tych rytmów nie było obserwowanych w warunkach stałych. Ponieważ niemal na pewno można w nich wyróżnić komponent okołodobowy – co oznacza, że w stałych warunkach utrzymywałyby się na przestrzeni wielu cykli – precyzyjniej byłoby nazwać je „zmiennościami dziennymi”. Znaczenie tych zmienności omówimy w kolejnych rozdziałach.

narządów takich jak żołądek, wątroba, jelito cienkie bądź trzustka, a także zaopatrywanie ich w krew, musi być odpowiednio dostrojone do pory doby. We śnie utrzymujemy się przy życiu dzięki wykorzystywaniu nagromadzonej energii. Napędza ona wiele kluczowych procesów: regenerację tkanek ciała, usuwanie toksyn, tworzenie wspomnień czy nowych pomysłów w mózgu. Ponieważ fizjologia wykazuje tak silny dobowy wzorzec działania, nic dziwnego, że nasza wydajność, natężenie objawów chorobowych czy działanie leków przepisanych przez lekarza zmienia się na przestrzeni 24 godzin. Kilka przykładów owych rytmicznych zmian okołodobowych pokazuje il. 1. Rytmy te obserwowano od stuleci, a odwieczne pytanie brzmiało oczywiście: skąd one się biorą?

Przez całe stulecia najważniejsze pytanie, jakie zadawali sobie badacze próbujący zrozumieć naturę mózgu, dotyczyło tego, czym zajmują się poszczególne jego części. W wielu podręcznikach możesz przeczytać, że w mózgu człowieka znajduje się 100 miliardów neuronów. Właściwie nie wiadomo, skąd wzięła się ta liczba, wiedz jednak, że jest błędna. Brazylijska naukowczyni Suzana Herculano-Houzel przeprowadziła precyzyjne badania, by ją skorygować, i okazało się, że przeciętny ludzki mózg mieści około 86 miliardów komórek nerwowych[8]. Brzmi to trochę jak średniowieczna debata poświęcona pytaniu, ile aniołów może tańczyć na łebku od szpilki, ale 14 miliardów różnicy to dużo. Mniej więcej tyle zawiera cały mózg pawiana. By podać jeszcze kilka przykładów: mózg myszy liczy 75 milionów neuronów, kota – 250 milionów, a słonia – 257 miliardów. Tak więc 86 miliardów komórek nerwowych to mnóstwo – dlatego też wybitnym osiągnięciem należy nazwać odkrycie, że „nadrzędny zegar biologiczny”, koordynujący nasze dwudziestoczterogodzinne rytmy okołodobowe, składa się jedynie z 50 tysięcy komórek nerwowych pracujących razem.

Zarówno u człowieka, jak i u innych ssaków ten nadrzędny zegar znajduje się w rejonie mózgu zwanym jądrami nadskrzyżowaniowymi (suprachiasmatic nuclei, SCN; zob. il. 2). Historia odkrycia tej struktury jest fascynująca! W latach 20. XX wieku badacze zaobserwowali, że szczury trzymane w ciemności biegają w kołowrotku (podobnym do takiego, jaki w sklepie zoologicznym możesz kupić dla chomika), są aktywne i odpoczywają w cyklu wynoszącym niecałe 24 godziny. Odkrycie zszokowało naukowców, których większość sądziła, że zachowanie pojawia się na skutek bodźca – trochę jak odruch. Dostarczasz konkretnego bodźca i wywołujesz konkretną reakcję. Tymczasem szczury wykazywały rytmiczny wzorzec codziennych zachowań bez żadnego wyraźnego bodźca z zewnątrz. Wzorzec aktywności zdawał się pochodzić z wewnątrz organizmu zwierzęcia i nie podlegać zmianom natężenia światła ani żadnym innym czynnikom środowiskowym. Co więc napędzało ten rytm?

W ramach eksperymentów przeprowadzanych w latach 50. i 60. szczurom usuwano rozmaite narządy, starając się wykryć ów napęd, ale nawet wtedy w stałych warunkach dwudziestoczterogodzinny wzorzec odpoczynku i aktywności nadal się utrzymywał. Postanowiono więc przyjrzeć się szczurzemu mózgowi. Usuwano (uszkadzano) różne drobne obszary i sprawdzano, jak zachowuje się wzorzec odpoczynku i aktywności. Jeśli przyszło ci do głowy, że szczurom to szkodziło, pamiętaj, że w tamtym czasie ludzi rutynowo poddawano lobotomii; był to zabieg chirurgiczny, w ramach którego przecinano większość połączeń między korą przedczołową (zob. il. 2) a resztą mózgu, próbując w ten sposób „leczyć” zaburzenia psychiczne. Facet, który to wymyślił, dostał nagrodę Nobla. Eksperymenty na szczurach sugerowały, że „zegar” musi mieścić się gdzieś głęboko w mózgu, prawdopodobnie w podwzgórzu (zob. il. 2), gdyż zniszczenie tego maleńkiego rejonu skutkowało „arytmią”, czyli zupełną utratą jakiegokolwiek dobowego wzorca odpoczynku i aktywności[9]. Badania kontynuowano w latach 70. i na prowadzenie wysunął się inny kandydat: jądra nadskrzyżowaniowe (SCN)[10]. Niemal 20 lat później kluczową rolę SCN potwierdzono ostatecznie u chomiczka syryjskiego. W późnych latach 80. Martin Ralph i Michael Menaker, moi bliscy koledzy z University of Virginia, odkryli chomika z mutacją tau, u którego cykl aktywności i odpoczynku wynosił 20 godzin, podczas gdy u zwierząt pozbawionych mutacji był on bliższy 24 godzinom. SCN chomika z mutacją (20 godzin) zostały wszczepione do podwzgórza w mózgu chomika bez mutacji (24 godziny), którego SCN uszkodzono, znosząc tym samym rytmiczność cyklu. Co znamienne, zmutowane SCN nie tylko przywróciło rytmy okołodobowe przejawiające się bieganiem zwierzęcia w kołowrotku, ale przede wszystkim sprawiło, że rytmy te zamykały się w cyklu 20, a nie 24 godzin! Przeszczep innych części mózgu chomika nie dawał rezultatów. Odkrycia te dowiodły, że przeszczepione SCN muszą zawierać poszukiwany „zegar”[11]. Dobrze pamiętam te eksperymenty i towarzyszącą im ekscytację, gdy codziennie otrzymywaliśmy nowe dane, a z naszych obserwacji wynikało, że przywrócony rytm okołodobowy chomika wynosił 20, a nie 24 godziny.

Jak już wspomniałem, na SCN składa się około 50 tysięcy neuronów[12]. Niebagatelnym odkryciem był fakt, że każdy z nich ma własny zegar. To również wykazano w trakcie eksperymentów na szczurach. Szczurze SCN podzielono na poszczególne komórki i umieszczono je w kulturze komórkowej. Monitorując aktywność elektryczną każdej komórki, badacze zaobserwowali, że funkcjonowały one w ramach wyraźnego, niezależnego rytmu okołodobowego, przy czym każda „tykała” w nieco innym tempie niż pozostałe. Co więcej, pojedyncze komórki SCN funkcjonowały na szalce całymi tygodniami[13]. Skoro neurony z SCN zawierają zegar, musi on być zlokalizowany wewnątrz każdej komórki, a więc jest to zegar molekularny! Odkrycia te były doprawdy znaczące, ale rodziły kolejne pytanie: jak ten rytm powstaje?

W 2017 roku trzej naukowcy ze Stanów Zjednoczonych – Jeffrey C. Hall, Michael Rosbash i Michael W. Young – zostali uhonorowani nagrodą Nobla za odkrycie, co sprawia, że zegar biologiczny „chodzi”. Dokonali tego po niemal 40 latach badań. W tym czasie niekiedy działali razem, niekiedy rywalizowali między sobą, a wielu drobnych elementów układanki dostarczali współpracujący z nimi młodzi badacze. Kiedy na jaw wyszły niektóre z kluczowych odkryć, pracowałem akurat na Uniwersytecie Wirginijskim. Hall, Rosbash i Young odwiedzali czasami uczelnię i opowiadali o postępach prac. Jako naukowcy wszyscy byli równie błyskotliwi, ale bardzo różnili się charakterami, a każdy z nich był niepodrabialny. Na przykład Jeff Hall jest także wybitnym badaczem wojny secesyjnej. Podczas pewnej pamiętnej wizyty na Uniwersytecie Wirginijskim wygłosił wykład o swoich ostatnich osiągnięciach w badaniach nad zegarem molekularnym, ubrany w strój i czapkę unionisty z Armii Północnej. Ta potencjalna prowokacja została jednak całkowicie zignorowana przez członków wydziału uczelni mieszczącej się w samym sercu Starego Południa. Nauka często przedstawiana jest jako marsz od ignorancji ku oświeceniu. Nic bardziej mylnego – zawsze zdarzają się błędy i ślepe uliczki. Rzeczą fascynującą jest obserwować, jak często znamienici naukowcy się mylą, nieraz bardzo poważne, ale też w miarę poznawania nowych faktów uczą się na błędach, korygują hipotezy i wracają na drogę postępu. Na tym polega prawdziwa nauka.

Il. 2. A. Położenie mózgu w czaszce i podstawowe płaty mózgowe (ciemieniowy, czołowy, potyliczny, skroniowy), jakie można wyróżnić, oglądając mózg od zewnątrz. B. Przekrój przez środek mózgu, widok z boku. Wskazane są kluczowe struktury wewnętrzne. Mózg przeciętnego człowieka stanowi zaledwie 2% jego masy ciała, ale pobiera aż 20% energii. Wystarczy na 5 minut pozbawić mózg tlenu, by neurony zaczęły umierać, powodując poważne uszkodzenia. Mózgowie w 73% składa się z wody, ale wystarczy odwodnienie o 2%, by funkcje mózgowe takie jak uwaga, pamięć i inne zdolności poznawcze uległy poważnemu pogorszeniu. Mózg człowieka zazwyczaj rozwija się do 25 roku życia. C. Jądra nadskrzyżowaniowe (SCN) w powiększeniu, widok z przodu. SCN to nadrzędny zegar biologiczny. Jądra umieszczone są po obu stronach trzeciej komory mózgu (III), nad skrzyżowaniem wzrokowym (to w tym miejscu nerwy wzrokowe wchodzą do mózgu i się łączą). Niewielkie pasmo neuronów z nerwu wzrokowego – zwane szlakiem siatkówkowo-podwzgórzowym – łączy się z SCN, by przekazywać zegarowi informacje na temat światła i ciemności, celem jego dostrojenia (zob. rozdział 3). D. Pojedynczy neuron SCN, o średnicy około 10 μm (0,01 mm). SCN zawierają około 50 tysięcy neuronów, z których każdy generuje własny rytm okołodobowy. W normalnej sytuacji wszystkie te neurony są ze sobą połączone. W jądrze każdej z komórek nerwowych SCN znajdują się geny zegarowe sterujące produkcją białek zegarowych. Powstają one w cytoplazmie otaczającej jądro, następnie zaś łączą się w kompleks białkowy, który wnika do jądra, by zahamować dalszą produkcję białek zegarowych. Po chwili kompleks ulega rozpadowi, co umożliwia ponowny start produkcji białek. W rezultacie otrzymujemy trwający mniej więcej 24 godziny cykl produkcji i rozpadu białek zegarowych. Ta molekularna pętla sprzężenia zwrotnego zostaje przetworzona na sygnał (elektryczny lub hormonalny), który koordynuje działanie zegarów biologicznych w pozostałych rejonach organizmu.

Postęp w badaniach Halla, Rosbasha i Younga dokonał się nie dzięki ludziom czy myszom, ale dzięki bardzo odległemu kuzynowi ze świata zwierząt: maleńkiej muszce owocówce, zwanej Drosophila. Chmary tych muszek krążą latem wokół patery z owocami i nieraz są bezrefleksyjnie rozkwaszane. Muszki owocówki są często wykorzystywanym „gatunkiem modelowym”, pozwalającym zrozumieć, jak funkcjonowanie genów przekłada się na fizjologię i zachowanie. Bada się je już od przeszło stu lat[14]. Opieka nad muszkami jest dość tania, szybko się rozmnażają i świetnie rozumiemy ich genetykę. Wszystko to sprawia, że stały się nieodzownym elementem eksperymentów, także w badaniach nad zegarem biologicznym. Cóż takiego odkryli Hall, Rosbash i Young w muszkach owocówkach? Szlaki komórkowe generujące „zegar molekularny” stanowią „pętlę ujemnego sprzężenia zwrotnego”, na którą składają się następujące etapy (zob. il. 2D): geny zegarowe w jądrze komórki inicjują tworzenie białek zegarowych. Białka te produkowane są w cytoplazmie (środowisku komórki otaczającym jądro). Następnie łączą się w kompleks białkowy, który wnika do jądra, by powstrzymać („wyłączyć”) dalszą produkcję białek zegarowych. Po chwili kompleks ten jest rozkładany, co umożliwia genom zegarowym ponowne uruchomienie wytwarzania białek zegarowych. W rezultacie otrzymujemy trwający 24 godziny cykl produkcji i rozpadu białek. To jest właśnie zegar biologiczny… Cóż, mniej więcej! Tempo wszystkich wymienionych procesów: aktywowania genów zegarowych, produkcji białek, formowania kompleksu białkowego, jego wnikania do jądra komórki, wyłączania genów zegarowych, rozpadu kompleksu białkowego i reaktywacji genów wspólnie wywarza dwudziestoczterogodzinny rytm, a zmiany (mutacje genetyczne) wpływające na każdy z etapów mogą przyśpieszyć, opóźnić albo kompletnie rozregulować zegar[15]. Właśnie taka mutacja genetyczna u chomika z mutacją tau skróciła cykl jego rytmu okołodobowego z 24 do 20 godzin[16]. Zegar molekularny wszystkich zwierząt – włączając mnie i ciebie – zbudowany jest na bardzo podobnej zasadzie. Robi to jeszcze większe wrażenie, gdy pomyślimy, że ostatni wspólny przodek muszek owocowych i ludzi żył ponad 570 milionów lat temu, kiedy doba na Ziemi trwała 22 do 23 godzin. To oznacza, że przez setki milionów lat nasz zegar biologiczny musiał zwolnić o parę godzin.

Dwudziestoczterogodzinny cykl produkcji i rozpadu białek zegarowych jest sygnałem włączającym i wyłączającym niezliczone geny oraz okołodobową produkcję przypisanych im białek, które z kolei regulują rytmiczne procesy fizjologiczne i zachowania organizmu (zob. il. 1). W żadnej z nauk biologicznych nie ma dokładniej opisanego przykładu na to, w jaki sposób geny wpływają na zachowanie, niż nasza obecna interpretacja zegara molekularnego. Pierwszym opisem rytmu okołodobowego na poziomie molekularnym u muszki owocówki Hall, Rosbash i Young zdecydowanie zasłużyli sobie na wyprawę do Sztokholmu po nagrodę Nobla, na której wręczeniu szczęśliwie byłem obecny.

Co ciekawe, drobne zmiany w genach zegarowych (polimorfizm) sprawiają, że ludzie są skowronkami, sowami lub typami pośrednimi. Ranne ptaszki – skowronki – wolą wcześnie kłaść się spać, wcześnie też wstają. Wydaje się, że ich zegar wewnętrzny działa szybciej na skutek odmienności jednego czy kilku genów zegarowych[17]. Zegary sów działają zaś wolniej, więc osoby te wolą położyć się do łóżka później, a rano dłużej spać. W ten oto sposób rodzice, przekazując nam swoje geny, nadal narzucają nam, kiedy mamy iść spać i kiedy wstać! Typ wewnętrznego zegara nazywany jest często chronotypem; w dalszych częściach książki omówimy, jaki wpływ na nasz chronotyp mają wiek i ekspozycja na światło w porze świtu i zmierzchu. Na temat własnego chronotypu dowiesz się więcej z dodatku 1.

SCN są u ssaków zegarem nadrzędnym, ale niejedynym[18]. Wiemy już, że swoje zegary mają komórki wątroby, mięśni, trzustki, tkanki tłuszczowej, a bardzo możliwe, że także wszystkich innych narządów i tkanek w organizmie[19]. Co znamienne, owe „komórkowe zegary peryferyjne” wydają się wykorzystywać ten sam molekularny mechanizm ujemnego sprzężenia zwrotnego co SCN. To odkrycie było prawdziwym szokiem. Pamiętam, jak Ueli Schibler z Uniwersytetu Genewskiego pierwszy raz zaprezentował swoje odkrycie na sympozjum na Florydzie w 1998 roku, dowodząc, że komórki poza SCN też dysponują zegarami[20]. Widownia głośno wciągnęła powietrze. Już dawno wykryto geny zegarowe w komórkach poza SCN[21], lecz przez wiele lat sądzono, że geny te mają inną funkcję. Nikt nie myślał poważnie o zegarach w tych komórkach, ponieważ zniszczenie SCN likwidowało dwudziestoczterogodzinny rytm aktywności i wydzielania hormonów takich jak pokazane na il. 1. Z badań nad uszkodzonymi SCN wywnioskowano, że struktura ta „napędza” rytmy dobowe w organizmie. Teraz wiemy jednak, że było to nadmierne uproszczenie. Zanik obserwowalnych rytmów po uszkodzeniu SCN następuje z dwóch powodów: po pierwsze, liczne peryferyjne zegary komórkowe ulegają „stłumieniu”, a po kilku cyklach ich rytmy zamierają – bez delikatnych kuksańców ze strony SCN zegary te tracą parę. Co jednak ważniejsze, po drugie, przy braku sygnału od SCN poszczególne zegary komórkowe przestają działać w sposób zsynchronizowany. Każda komórka tyka indywidualnie, w nieco innym rytmie niż pozostałe – a więc skoordynowany rytm dobowy w danym narządzie czy tkance przestaje funkcjonować[22]. To tak, jakbyśmy odwiedzili majestatyczną rezydencję, w której wszystkie antyczne zegary zaczynają bić o nieco różnych porach. Uznano więc, że SCN działają jak rozrusznik, który nie napędza, ale koordynuje okołodobową aktywność miliardów pojedynczych zegarów w tkankach i narządach organizmu. SCN przypominają dyrygenta: podają sygnał, który zestraja orkiestrę/organizm. Bez dyrygenta wszystkie mechanizmy działają w sposób nieskoordynowany i zamiast symfonii mamy biologiczną kakofonię – nic nie działa tak, jak powinno, i wtedy, kiedy powinno.

Szlaki sygnałowe, których SCN używa do koordynacji czy też dostrajania zegarów peryferyjnych, są wciąż słabo poznane, ale wiemy już, że SCN nie rozsyła niezliczonych sygnałów po całym organizmie, by dotarły do różnych tkanek i narządów. Wydaje się raczej, że liczba sygnałów jest ograniczona: otrzymuje je między innymi autonomiczny układ nerwowy (czyli część układu nerwowego odpowiadająca za te funkcje organizmu, których nie kontrolujemy świadomie). SCN wysyła też szereg sygnałów chemicznych. Ponadto odbiera dostrajające informacje zwrotne od poszczególnych części ciała, wpływając na przykład na cykl snu i czuwania, co pozwala na funkcjonowanie całego organizmu w sposób zsynchronizowany pomimo zmiennych wymagań różnych pór doby[23]. W rezultacie otrzymujemy złożoną sieć okołodobową, która koordynuje rytmiczną naturę fizjologii i zachowań. Utrata synchronizacji pomiędzy zegarami okołodobowymi, czy to w obrębie jednego organu, czy też pomiędzy narządami – na przykład między żołądkiem i wątrobą – nazywana jest desynchronizacją wewnętrzną i może prowadzić do poważnych problemów zdrowotnych, które omówię w kolejnych rozdziałach.

System okołodobowy dostraja nasz organizm do zmiennych wymogów dwudziestoczterogodzinnego cyklu dnia i nocy. Gdyby jednak ten wewnętrzny system koordynacji nie był zgrany ze światem zewnętrznym, nie byłoby zeń praktycznego pożytku. Właśnie to zestrojenie dnia „wewnętrznego” z „zewnętrznym” chciałbym omówić w rozdziale 3. Najpierw jednak zajmę się najoczywistszym spośród naszych dwudziestoczterogodzinnych wzorców zachowania: snem.

Pytania i odpowiedzi

1. Ile genów liczy zegar molekularny?

Dawno minęły czasy, gdy mówiliśmy o genie zegarowym w liczbie pojedynczej. Trudno podać dokładną ich liczbę, bo zależy ona od tego, co kryje się dla nas pod tym pojęciem. Robocza definicja mogłaby porównać geny zegarowe do kółek zębatych w werku zegara mechanicznego. Współdziałają one ze sobą w konkretny sposób, wytwarzając cykl trwający 24 godziny, ale jeśli usuniemy lub uszkodzimy jeden z „ząbków”, zegar zacznie chodzić inaczej lub w ogóle się zatrzyma. Bazując na tej definicji, możemy powiedzieć, że zarówno ludzie, jak i inne ssaki, na przykład myszy, mają 20 różnych genów napędzających zegar molekularny[24]. Stwierdzenie to jest jednak nieco mylące, ponieważ w rzeczywistości więcej genów przyczynia się do regulacji i stabilizacji zegara, a także do sposobu, w jaki napędza on okołodobową fizjologię. Jeśli uwzględnimy i te geny, razem mogą ich być setki. Należy także mieć świadomość, że wszystkie geny „zegarowe” pełnią także inne funkcje, czuwając nad kluczowymi procesami biologicznymi, takimi jak podziały komórkowe czy regulacja metabolizmu.

2. Czy pola elektromagnetyczne działają na ludzkie rytmy okołodobowe?

Obecnie nie ma twardych dowodów na to, że pola elektromagnetyczne wpływają na funkcjonowanie ludzkich rytmów okołodobowych[25]. Ale brak dowodu nie dowodzi braku. Myślę, że uczciwie będzie uznać, iż wpływ ten jest znikomy.

3. Czy u ludzi występuje zegar roczny?

Nasze życie rzeczywiście wykazuje całą gamę rytmów rocznych, związanych z takimi zjawiskami jak wskaźniki urodzeń, samobójstw, zachorowań na raka i zgonów. Dla przykładu, na półkuli północnej, może wbrew intuicji, więcej osób odbiera sobie życie wiosną niż zimą (w okolicach grudnia wskaźniki samobójstw są najniższe)[26]. Niektórzy uważają, że mamy cykl roczny jak owce, jelenie i wiele innych ssaków. Trudno jednak byłoby to udowodnić eksperymentalnie, gdyż osoba badana musiałaby przebywać w warunkach stałego oświetlenia i temperatury przez co najmniej trzy lata. Taki eksperyment byłby wysoce nieetyczny, nie mówiąc już o problemie ze znalezieniem ochotników. Inni badacze sądzą, że nie kieruje nami zegar roczny – jak czyni to okołodobowy – a jedynie reagujemy bezpośrednio na zmiany w środowisku, takie jak zmiana temperatury czy długości dnia[27].

4. Czy wszystkie zwierzęta mają jądra nadskrzyżowaniowe (SCN)?

Wszystkie ssaki, włączając torbacze (na przykład kangury) i jajorodne stekowce (na przykład dziobaki), mają w mózgu strukturę przypominającą SCN. Eksperymenty wykazały, że SCN u tych zwierząt wydaje się działać jak zegar nadrzędny, koordynujący rytmy okołodobowe zegarów peryferyjnych. W przypadku ptaków, gadów, płazów i ryb jest jednak inaczej. Mają one kilka narządów mogących funkcjonować jak zegar nadrzędny. Mieszczą się one w podobnych do SCN strukturach w podwzgórzu, w szyszynce, a nawet w oczach. Wielką zagadką pozostaje fakt, że nawet u blisko spokrewnionych gatunków rola SCN i jego interakcje z szyszynką oraz oczami znacznie się różnią. U wróbla na przykład dominującym zegarem wydaje się być szyszynka, podczas gdy u przepiórki funkcję tę pełnią oczy. U gołębi wszystkie trzy narządy współpracują ze sobą![28] Zagadnienie to zafascynowało Michaela Menakera, jednego z pionierów badań nad rytmami okołodobowymi, który stał się moim bliskim przyjacielem i kolegą z pracy, gdy prowadziłem badania na Uniwersytecie Wirginijskim.

5. Czy geny i białka zegara molekularnego regulują też zachowania niezwiązane z zegarem wewnętrznym?

Tak. W rozdziale 10 przeczytasz, że mutacje w genach zegarowych powiązano z rakiem oraz innymi schorzeniami, jak zaburzenia psychiczne (rozdział 9). Co znamienne, nadmierna chęć spożywania alkoholu też została powiązana ze zmianami w niektórych genach zegarowych[29]. Gdy jeden gen pełni kilka funkcji, mamy do czynienia z plejotropizmem. To raczej reguła, a nie wyjątek.

6. Czy u ludzi wyewoluował rytm tygodniowy albo miesięczny?

Wiele na ten temat dyskutowano. Jasne jest, że życie na naszej planecie wykształciło zegary powiązane z cyklami geofizycznymi takimi jak dwudziestoczterogodzinny obrót Ziemi wokół Słońca, pory roku czy pływy wywołane oddziaływaniem Księżyca. Nie mamy jednak przekonujących dowodów na istnienie zegarów wewnętrznych powiązanych z cyklami utworzonymi przez człowieka, jak tydzień i miesiąc. Hipoteza ta miała swoich gorących zwolenników[30], ale większość biologów okołodobowych opowiada się przeciwko istnieniu cykli trwających 7 czy 31 dni, wskazując na brak silnych dowodów.

Rozdział 2

Pradawne dziedzictwo

Czym jest sen i do czego jest nam potrzebny?

Nie ma ważniejszej gałęzi nauki niż badania nad ludzkim mózgiem. Od nich zależy nasza wizja wszechświata.

Francis Crick

W mitologii greckiej bogiem snu jest Hypnos, syn Nyks (Nocy) i Ereba (Ciemności), brat bliźniak Tanatosa (Śmierci). Hypnos i Tanatos mieszkają w świecie podziemi – Hadesie. Już od antyku sen był więc kojarzony z ciemnością, śmiercią i piekłem. Nic dziwnego, że starożytni nie żywili wobec niego szczególnego entuzjazmu. Jeśli przeskoczymy 2000 lat później, zobaczymy, że sprawy mają się niewiele lepiej. Wielki wynalazca Thomas Edison miał powiedzieć, że sen to strata czasu i relikt czasów jaskiniowych. Może nie tak dokładnie brzmiały jego słowa, ale na pewno zgodziłby się z innym Amerykaninem, Edgarem Allanem Poem, który ponoć pisał: „Sen to przedsionek, w którym czyha śmierć, och, jakiż czuję do niej wstręt”.

Od najdawniejszych czasów sen nie cieszył się aprobatą. Co więcej, w ostatnich stuleciach darzono go pogardą, gdyż za zajęcie cnotliwe i godne pochwały uznawano jedynie ciężką pracę. Skoro sen uniemożliwia nam pracę, musi być czymś grzesznym. Naturalnie, jak możesz się domyślać, nie wszyscy zgadzali się z tym poglądem. Oscar Wilde przyjął nieco inną postawę, twierdząc, że życie to koszmar, który nie pozwala nam spać.

Niestety, poglądy Edisona, Poego i innych podobnie myślących osób w XIX i XX wieku zostały przyjęte również przez władze. Chociaż ostatnimi czasy sytuacja zaczęła ulegać poprawie, sen nadal uważany jest za rodzaj „choroby”, którą należy leczyć; coś, co z wielką niechęcią musimy tolerować. Wiedząc bardzo mało o fundamentalnej części składowej naszej biologii, jaką jest sen, wypowiedzieliśmy mu wojnę. To fatalne posunięcie miało przerażające konsekwencje dla naszego zdrowia i dobrostanu, a ponadto okazało się zbrodnią na gospodarce.

By wygenerować cykl snu i czuwania, konieczna jest wysoce skomplikowana współpraca wielu obszarów mózgu: tyłomózgowia, śródmózgowia, podwzgórza, wzgórza i kory mózgowej (zob. il. 2), a także całego systemu neuroprzekaźników (na przykład histaminy, dopaminy, noradrenaliny, serotoniny, acetylocholiny, kwasu glutaminowego, hipokretyny, GABA, czyli kwasu gamma-aminomasłowego) i szeregu hormonów, z których każdy pełni również inne funkcje. Systemy te łączą siły, by przestawiać nas ze stanu czuwania w sen i odwrotnie – można to porównać do huśtawki, która wychyla się albo w kierunku snu, albo w kierunku świadomości. Sen nie jest jednak równoznaczny z „wyłączeniem” organizmu; to zawiły i zmienny stan.

Fazy snu REM i NREM

Przez wieki sądzono, że podczas snu mózg jest wyłączony i nic się z nim właściwie nie dzieje. To przekonanie utrzymywało się po części dlatego, że do lat 50. XX wieku praktycznie nie mieliśmy porządnych narzędzi do badania śpiącego mózgu. Od połowy ubiegłego wieku rutynowo badano sen w laboratoriach, przytwierdzając do skóry głowy osoby śpiącej elektrody, utrzymujące się na miejscu dzięki żelowi przewodzącemu prąd. W ten sposób, przy pomocy elektroencefalografu (EEG), mierzono wzorce aktywności elektrycznej mózgu. Wspominałem o tym we wstępie, ale pozwól, że ci przypomnę: kiedy czuwasz i podczas wczesnej, lekkiej fazy snu, wzorzec EEG pokazuje szybkie i drobne zmiany (fale o wysokiej częstotliwości i małej amplitudzie). Pomyśl o skakance napiętej między dwiema osobami i wprowadzanej w szybkie kołysanie. Ale gdy zaśniesz i stopniowo zapadasz w coraz głębszy sen (SWS), aktywność elektryczna zwalnia – mamy do czynienia z falami o niskiej częstotliwości i dużej amplitudzie. W tym przypadku skakanka trzymana jest luźno, a kołysanie jest delikatne. Stopniowo przechodzisz przez kilka faz snu (1–3), aż do snu głębokiego, czyli snu wolnofalowego (SWS), zwanego także snem delta. Następnie wzorzec snu szybko przechodzi z fazy 3 do 2, a potem do 1. To „odwrócenie” wzorca elektryczności mózgowej poprzedza kolejną fazę snu, w której EEG wygląda bardzo podobnie jak podczas czuwania: znów mamy do czynienia z falami o wysokiej częstotliwości i małej amplitudzie. Powieki pozostają zamknięte, ale oczy wykonują szybkie ruchy. Tętno i ciśnienie rosną, lecz od szyi w dół ciało jest sparaliżowane. Z oczywistych powodów fazę tę nazywamy fazą snu o szybkich ruchach gałek ocznych, czyli snem REM. Mijają kolejne minuty i przełączasz się z powrotem w sen NREM. Następnie przechodzisz przez fazy 1–3 i ponownie wracasz do snu REM. Cykl NREM/REM trwa przeciętnie 70–90 minut (w zależności od wieku) i podczas nocy doświadczasz przeciętnie 5 takich cykli. Nie są one jednak identyczne. W pierwszej połowie nocy więcej czasu spędzasz we śnie SWS (faza 3), w drugiej zaś doświadczasz częstszych i dłuższych faz REM. W sposób naturalny budzisz się zazwyczaj ze snu REM.

Sen NREM, pamięć i lęk

Odkryto, że sen NREM bierze udział w formowaniu wspomnień i rozwiązywaniu problemów. Można to wykazać na kilka różnych sposobów. W jednym z badań mózgi osób, które spały w kontrolowanych warunkach laboratoryjnych, pobudzano do generowania dłuższej fazy SWS. Badacze używali do tego dźwięków o specyficznej częstotliwości. Dodatkowy sen SWS wiązał się z lepszym zapamiętywaniem faktów i zdarzeń z dnia poprzedniego[31]. W innych eksperymentach pozbawiano ludzi fazy SWS, monitorując aktywność elektryczną mózgu i budząc badanych w chwili, gdy wchodzili w fazę snu wolnofalowego. Deprywacja fazy SWS okazała się upośledzać formowanie wspomnień[32]. Z konsolidacją pamięci prawdopodobnie mają związek także nagłe skoki aktywności elektrycznej zwane wrzecionami snu, pojawiające się w 2 fazie NREM[33]. By to sprawdzić, wykorzystywano farmaceutyki zwiększające lub zmniejszające wrzeciona snu, co skutkowało polepszeniem lub pogorszeniem zdolności do zapamiętywania[34]. Inną cechą 2 fazy NREM są fale o wysokiej amplitudzie zwane zespołami K. Uważa się, że ich rolą jest chronienie nas przed wybudzeniem w odpowiedzi na hałas czy inne zdarzenia w otoczeniu[35]. Niedawne badania wskazują jednak, że zespoły K mogą również brać udział w formowaniu wspomnień. Sen wolnofalowy występuje przede wszystkim w pierwszej połowie nocy, może stąd wzięło się zatem powiedzenie, że godzina snu przed północą jest warta tyle, co dwie po północy. Mimo wszystko uważam, że to kolejny z mitów związanych ze snem. Słaby sen wiąże się z wyższym poziomem lęku, a niedawno przeprowadzone badania wykazały, że sen wolnofalowy w trakcie fazy NREM może pełnić znaczącą rolę w redukcji niepokoju poprzez odpowiednie organizowanie sieci mózgowych w korze przedczołowej (zob. il. 2)[36]. Co ciekawe, osoby ze schizofrenią doświadczają mniej snu SWS. Być może właśnie z tego względu u pacjentów obserwuje się zwiększony niepokój oraz inne dolegliwości psychiczne.

Sen REM, marzenia senne i nastrój

Śnimy zarówno podczas fazy NREM, jak i REM, ale marzenia senne w fazie REM zwykle trwają dłużej, są bardziej intensywne, zawiłe i dziwaczne. Gdy budzimy się w sposób naturalny ze snu w fazie REM, przez krótką chwilę możemy pamiętać ostatni sen. Marzenia senne wydają się trwać przez całą fazę REM, a przeświadczenie, że pojawiają się na moment przed przebudzeniem, uważa się za nieprawdziwe. Treść marzeń sennych jest różnorodna, ale zazwyczaj występuje w nich osoba śniąca i ludzie, których zna: przyjaciele, rodzina, czasem sławne postacie. Dla większości z nas marzenia senne to głównie doświadczenie wizualne, rzadko kiedy śnimy o smaku czy zapachu. Sny osób niewidomych od urodzenia zdominowane są zaś przez wrażenia słuchowe, dotykowe i emocje[37]. Marzenia senne często są osobliwe, zwykle jednak na bardzo podstawowym poziomie zawierają elementy naszych doświadczeń. Co istotne, osoby pozbawione snu REM w ciągu dnia wykazują większy niepokój, podatność na irytację, agresję i halucynacje, co może przemawiać na korzyść tezy, że marzenia senne i faza REM są niezbędne do prawidłowego przetwarzania emocji i formowania wspomnień emocjonalnych[38]. Do tematu marzeń sennych jeszcze wrócę, muszę jednak dodać, że są one niesłychanie trudne w interpretacji. Nie dostarczają nam policzalnych danych, są całkowicie subiektywne i opowiedzieć je może tylko osoba, której się przyśniły. Nie mamy sposobu na ich zbadanie! Zygmunt Freud wierzył, że marzenia senne pokazują niespełnione pragnienia, a badanie snów wiedzie do zrozumienia podświadomości. W jego czasach analiza marzeń sennych była kluczową częścią psychoanalizy. Obecnie rola snów w psychoanalizie została poważnie zdegradowana. Największy problem polega na tym, że bez obiektywnych, niezawodnych narzędzi interpretacja snów jest czystą spekulacją; dlatego ta domena była często zawłaszczana przez szemranych przedstawicieli pseudonauki.

Zapraszamy do zakupu pełnej wersji książki

Zapraszamy do zakupu pełnej wersji książki

[1] Po angielsku circadian rhythms, gdzie circadian pochodzi od łacińskich słów circa – około i dies – dzień (przyp. tłum.).

[2] Zespół Rolling Stones nagrał piosenkę Child of the Moon – „Dziecko Księżyca” (przyp. tłum.). {: .Przypis}

[3] Ho Mien I. i inni, Effects of exposure to intermittent versus continuous red light on human circadian rhythms, melatonin suppression, and pupillary constriction, „PLoS One” 2014, z. 9.

[4] Trenell M.I., Marshall N.S., Rogers N.L., Sleep and metabolic control: waking to a problem?, „Clinical and Experimental Pharmacology and Physiology” 2007, z. 34.

[5] Ho Mien I. i inni, Effects of exposure to intermittent versus continuous red light on human circadian rhythms, melatonin suppression, and pupillary constriction, „PLoS One” 2014, z. 9; Blatter K., Cajochen C., Circadian rhythms in cognitive performance: methodological constraints, protocols, theoretical underpinnings, „Physiology & Behavior” 2007, z. 90.

[6] Ho Mien I. i inni, Effects of exposure to intermittent versus continuous red light on human circadian rhythms, melatonin suppression, and pupillary constriction, „PLoS One” 2014, z. 9.

[7] Blatter K., Cajochen C., Circadian rhythms in cognitive performance: methodological constraints, protocols, theoretical underpinnings, „Physiology & Behavior” 2007, z. 90; Kleitman N., Studies on the physiology of sleep: VIII. Diurnal variation in performance, „American Physiological Society Journal” 1933, z. 104.

[8] Herculano-Houzel S., The human brain in numbers: a linearly scaled-up primate brain, „Frontiers in Human Neuroscience” 2009, z. 3.

[9] Schulkin J., In honor of a great inquirer: Curt Richter, „Psychobiology” 1989, z. 17.

[10] Moore R.Y., Lenn N.J., A retinohypothalamic projection in the rat, „Journal of Comparative Neurology” 1972, z. 146; Stephan F.K., Zucker I., Circadian rhythms in drinking behavior and locomotor activity of rats are eliminated by hypothalamic lesions, „Proceedings of the National Academy of Sciences USA” 1972, z. 69.

[11] Ralph M.R., Foster R.G., Davis F.C., Menaker M., Transplanted suprachiasmatic nucleus determines circadian period, „Science” 1990, z. 247.

[12] Swaab D.F., Fliers E., Partiman T.S., The suprachiasmatic nucleus of the human brain in relation to sex, age and senile dementia, „Brain Research” 1985, z. 342.

[13] Ralph M.R., Foster R.G., Davis F.C., Menaker M., Transplanted suprachiasmatic nucleus determines circadian period, „Science” 1990, z. 247.

[14] Tolwinski N.S., Introduction: Drosophila – A model system for developmental biology, „Journal of Developmental Biology” 2017, z. 5.

[15] Takahashi J.S., Transcriptional architecture of the mammalian circadian clock, „Nature Reviews Genetics” 2017, z. 18.

[16] Lowrey P.L. i inni, Positional syntenic cloning and functional characterization of the mammalian circadian mutation tau, „Science” 2000, z. 288.

[17] Jones S.E. i inni, Genome-wide association analyses of chronotype in 697,828 individuals provides insights into circadian rhythms, „Nature Communications” 2019, z. 10.

[18] Nagoshi E. i inni, Circadian gene expression in individual fibroblasts: cell-autonomous and self-sustained oscillators pass time to daughter cells, „Cell” 2004, z. 119.

[19] Richards J., Gumz M.L., Advances in understanding the peripheral circadian clocks, „The FASEB Journal” 2012, z. 26.

[20] Balsalobre A., Damiola F., Schibler U., A serum shock induces circadian gene expression in mammalian tissue culture cells, „Cell” 1998, z. 93.

[21] Ściślej rzecz biorąc, każda komórka ciała ma identyczny zestaw genów; rzecz jednak w tym, że w różnych tkankach i narządach aktywne są różne zestawy genów. I autor, i ja upraszczamy dla łatwiejszego zrozumienia tekstu (przyp. tłum.). {: .Przypis}

[22] Albrecht U., Timing to perfection: the biology of central and peripheral circadian clocks, „Neuron” 2012, z. 74.

[23] Albrecht U., Timing to perfection: the biology of central and peripheral circadian clocks, „Neuron” 2012, z. 74; Jagannath A. i inni, Adenosine integrates light and sleep signalling for the regulation of circadian timing in mice, „Nature Communications” 2021, z. 12.

[24] Rijo-Ferreira F., Takahashi J.S., Genomics of circadian rhythms in health and disease, „Genome Medicine” 2012, z. 11.

[25] Lewczuk B. i inni, Influence of electric, magnetic, and electromagnetic fields on the circadian system: current stage of knowledge, „BioMed Research International” 2014, z. 2014.

[26] Postolache T.T. i inni, Seasonal spring peaks of suicide in victims with and without prior history of hospitalization for mood disorders, „Journal of Affective Disorders” 2009, z. 121.

[27] Foster R.G., Roenneberg T., Human responses to the geophysical daily, annual and lunar cycles, „Current Biology” 2008, z. 18.

[28] Underwood H., Steele C.T., Zivkovic B., Circadian organization and the role of the pineal in birds, „Microscopy Research and Technique” 2001, z. 53.

[29] Kovanen L. i inni, Circadian clock gene polymorphisms in alcohol use disorders and alcohol consumption, „Alcohol and Alcoholism” 2010, z. 35.

[30] Levi F., Halberg F., Circaseptan (about-7-day) bioperiodicity – spontaneous and reactive – and the search for pacemakers, „Research in Clinic and Laboratory” 1982, z. 12.

[31] Walker M.P., The role of slow wave sleep in memory processing, „Journal of Clinical „Sleep Medicine” 2009, z. 5.

[32] Walker M.P., The role of slow wave sleep in memory processing, „Journal of Clinical „Sleep Medicine” 2009, z. 5.

[33] Clemens Z., Fabo D., Halasz P., Overnight verbal memory retention correlates with the number of sleep spindles, „Neuroscience” 2005, z. 132.

[34] Mednick S.C. i inni, The critical role of sleep spindles in hippocampal-dependent memory: a pharmacology study, „Journal of Neuroscience” 2013, z. 33.

[35] Forget D., Morin C.M., Bastien C.H., The role of the spontaneous and evoked k-complex in good-sleeper controls and in individuals with insomnia, „Sleep” 2011, z. 34.

[36] Ben Simon E., Rossi A., Harvey A.G., Walker M.P., Overanxious and underslept, „Nature Human Behaviour” 2020, z. 4.

[37] Meaidi A., Jennum P., Ptito M., Kupers R., The sensory construction of dreams and nightmare frequency in congenitally blind and late blind individuals, „Sleep Medicine” 2014, z. 15.

[38] Lerner I., Lupkin S.M., Sinha N., Tsai A., Gluck M.A., Baseline levels of rapid eye movement sleep may protect against excessive activity in fear-related neural circuitry, „Journal of Neuroscience” 2017, z. 37.