Пора вставать

Наталья Резник,
кандидат биологических наук
«Химия и жизнь» №4, 2024

— Звери, в школу собирайтесь!
Крокодил пропел давно!
Как вы там ни упирайтесь,
Ни кусайтесь, ни брыкайтесь —
Не поможет все равно!
Громко плачут Зверь и Пташка, —
Караул! — кричит Пчела,
С воем тащится Букашка...
Неужели им так тяжко
Приниматься за дела?

Борис Заходер,
стихотворение, написанное для пересказа
«Алисы в Стране чудес»

Школьник, тоскливо влачащийся утром на занятия и вваливающийся в класс сразу после звонка, — знакомая картина. А ложился бы он, голубчик, пораньше и пораньше вставал — был бы утром бодр и свеж и никуда не опаздывал. Ан нет, господа советчики, не так всё просто.

Джетлаг и хронотипы

Всё живое на Земле подчиняется околосуточному (циркадному) ритму. Биологическое время млекопитающих отсчитывают внутренние часы — супрахиазматическое ядро (СХЯ) гипоталамуса, скопление 15–20 тысяч нейронов. Эти нейроны синтезируют белки, которые управляют работой многих генов в разных частях организма. От стадии циркадного ритма зависят давление, температура тела, сила мышц, скорость реакции и координация движений, моторика кишечника, синтез многих ферментов и гормонов, когнитивные функции. Таким образом, СХЯ задает ритм работы всего организма.

Циркадная система может действовать автономно, даже в полной темноте, но в обычных условиях ее работа скоординирована с суточным ритмом освещенности. Световой сигнал улавливают ганглиозные клетки сетчатки и передают в СХЯ. От освещенности зависит и синтез гормона мелатонина, который образуется в эпифизе в темноте, определяя тем самым границы «биологической ночи». У мелатонина много разных функций, в том числе он участвует в синхронизации циркадных ритмов и передает сигнал от СХЯ к периферическим органам: сетчатке, коже, лимфоцитам, костному мозгу и желудочно-кишечному тракту.

Свет — не единственный внешний синхронизатор циркадной системы. Работа циркадных генов зависит и от времени приема пищи, это второй по силе внешний сигнал циркадной системы (см. Н. Резник «Время есть», «Химия и жизнь» 2015, № 6)

Помимо встроенных биологических часов у нас есть и социальные, и большинство людей вынуждено жить именно по ним, вовремя являясь на работу или на занятия. Хорошо, если биологические часы идут в унисон с социальными, но так бывает не всегда. У каждого человека есть индивидуальный ритм сна и бодрствования — хронотип (см. М. Борисенков «Часовые пояса с точки зрения хронобиологии», «Химия и жизнь» 2013, № 1). Его можно оценить количественно с помощью Мюнхенского теста для оценки хронотипа (MCTQ), который разработали в 2003 году немецкие исследователи под руководством профессора Тиля Рённеберга (Till Roenneberg) из Института медицинской психологии Мюнхенского университета Людвига Максимилиана. Расспросив человека о графике его работы, времени его сна и бодрствования в рабочие и будние дни; о том, долго ли он засыпает и сразу ли встает, пробудившись, может ли обходиться без будильника и снотворного, исследователи определяют середину фазы сна в цикле «бодрствование — сон». Чем больше час, на который приходится середина фазы сна, тем «позднее» хронотип. Например, если середина фазы сна наступает в час-два ночи, перед нами ярко выраженный «жаворонок», а если в восемь-девять часов утра, то «сова».

Режим сна-бодрствования можно подстроить к режиму учебы, это очень подвижный и легко адаптируемый показатель. Однако помимо сна и бодрствования под контролем центральных часов находятся пищевое поведение, артериальное давление, эндокринная и иммунная системы, когнитивные функции, физическая активность. И эти показатели человек не в силах усилием воли перемещать по шкале времени. «Сова» может приучиться вставать рано, но при этом у нее произойдет рассогласование между фазами ритмов сна, приема пищи, синтеза гормонов. Такое рассогласование называется десинхронозом (см. В. Хаснулин «Десинхроноз», «Химия и жизнь» 2011, № 4), а несоответствие между биологическими и социальными ритмами — социальным джетлагом. Длительный социальный джетлаг бесследно не проходит и вызывает снижение когнитивных функций и успеваемости, нарушение обмена веществ, ожирение и сердечно-сосудистые заболевания, а также увеличивает риск развития депрессии.

О величине социального джетлага можно судить по тому, сколько времени люди спят в выходные, когда им не надо вскакивать по будильнику. Разница между серединой фазы сна в учебные и выходные дни позволяет оценить джетлаг количественно.

Школьные «совы»

Всё это была присказка к суровой правде — большинство подростков «совы», которым сложно адаптироваться к ритму школьной жизни. Они поздно засыпают и мало спят, потому что вставать приходится рано. В российских школах уроки начинаются в 8:00–8:30. Начинать раньше не велит СанПиН (государственные санитарные правила и нормы). Большинство школ мира тоже начинает с утра пораньше.

Поздний хронотип подростков — явление всеобщее, оно описано в 16 странах на разных континентах как в современных, так и в доиндустриальных культурах. Более того, задержка фазы сна в период полового созревания характерна для всех млекопитающих. Именно с млекопитающими — грызунами и макаками — работали американские исследователи из Мичиганского университета и Лаборатории хронобиологии и исследований сна больницы Э. П. Брэдли под руководством профессора Мэри Карскадон (Mary A. Carskadon). Оказалось, что у макаков-резусов, лабораторной мыши и крысы, дневной песчанки и дегу (тоже грызун) суточные ритмы в период полового созревания смещались на 1–4 часа. У некоторых видов смещение сопровождалось увеличением сумеречной активности и сокращением периода медленного сна. О последствиях этих изменений мы поговорим немного позже.

Как показали эксперименты на животных, сдвиг циркадного ритма увеличивается благодаря выработке полового гормона тестостерона, который непосредственно воздействует на клетки СХЯ. (Существует, кстати, и обратный эффект — поздний хронотип приводит к увеличению продукции тестостерона.) Во время полового созревания количество тестостерона увеличивается и у самцов, и у самок, но в меньшем количестве, поэтому возрастные изменения у подопытных грызунов женского пола менее выражены.

Корреляция между хронотипом и концентрацией циркулирующих гормонов замечена и у людей. Гормональный пик, и соответственно максимальная задержка сна, наступает во втором десятилетии жизни, у девушек — примерно на год раньше, потому что у них раньше начинается пубертатный период, но девушки и «совеют» не так сильно, как мальчики. Поэтому подростки предпочитают вечером бодрствовать, а ранним утром спать. А есть еще такое понятие — давление сна, оно же стремление ко сну, которое увеличивается по мере бодрствования и угасает во время сна. Подростки к давлению сна устойчивы и, хотя им и приходится по будням рано вставать, вечером спать не хотят и ложатся поздно.

Ученые неоднократно пытались предотвратить рассогласование циркадной системы подростков и школьного расписания, пропагандируя здоровый образ жизни, в частности, правильный режим дня, но безуспешно, потому что рассогласование имеет биологические причины. Что ж, если не удается повлиять на циркадный ритм, можно попробовать изменить социальный.

Время первого звонка

Проблема оптимального времени начала школьных занятий интересует специалистов разных стран. В России ее много лет исследует доктор биологических наук М. Ф. Борисенков.

Недавно специалисты Института физиологии Коми научного центра Уральского отделения РАН и Уральского гуманитарного института Уральского федерального университета опросили около семи тысяч учеников 6–11-х классов, жителей Екатеринбурга и Республики Коми. Уроки в разных школах начинались в 8:00, 8:30 и 9:00. Исследователи оценивали успеваемость учеников в прошедшей четверти, индекс массы тела, хронотип по тесту MCTQ, время засыпания и продолжительность сна. Ученые также использовали специальные шкалы для оценки психоэмоционального состояния и пищевой зависимости школьников.

Средняя продолжительность сна участников исследования составила 7 часов 38 минут, социальный джетлаг — 1 час 22 минуты, а середина фазы сна приходилась на 4:02. Но подростки, начинающие учиться в 9:00, получают более высокие оценки, их средний показатель на четверть балла выше, чем у начинающих в 8:00, они спят на 25 минут дольше и быстрее засыпают, а циркадное рассогласование у них на 34 минуты меньше.

Некоторые подростки страдают зависимостью от жирных и сладких продуктов, преимущественно кондитерских изделий и сладких напитков. По наблюдениям М. Ф. Борисенкова, у школьников Республики Коми и Екатеринбурга первое и второе место в рейтинге таких продуктов занимают шоколад и чипсы. Отсрочка занятий на час, с восьми до девяти часов утра, приводит к снижению частоты пищевой зависимости с 6,08 до 4,98%, то есть на 18%. А еще среди учеников, начинающих в 8:00, чаще встречаются случаи с риском развития депрессии.

Школьники, для которых первый звонок звенит в 8:30, занимают промежуточное положение. Начинать учиться в половине девятого лучше, чем в восемь, но хуже, чем в девять. Результаты М. Ф. Борисенкова и его коллег убедительно доказывают, что если перенести начало занятий в средних и старших классах на 9:00, то уменьшится рассогласование между социальными и биологическими ритмами, улучшится качество сна, академическая успеваемость и психоэмоциональное состояние школьников. Но тогда, быть может, стоит начинать учиться еще позже? Оказалось, что нет.

Ученые из Института физиологии Коми НЦ УрО РАН сравнили характеристики сна и антропометрические характеристики 18 481 школьника от 11 до 18 лет, учеников 6–11-х классов, которые учатся в первую и вторую смену. В это исследование вошли данные, собранные за десять лет. В группу учащихся первой смены включили тех, кто начинал учиться от 8 до 10 часов, а в группу второй смены — от 12 до 14 часов.

В общей сложности 12,6% участников страдали избыточным весом или ожирением, при этом заболеваемость была выше среди школьников, обучающихся во вторую смену. Сильнее всего вероятность ожирения повышается у 11–14-летних девочек с ранним хронотипом.

Одна из возможных причин лишнего веса — нарушение пищевого поведения. Дети во вторую смену заканчивают учиться в 18:30–19:30 и ужинают поздно. Поздняя трапеза и ночная еда провоцируют ожирение у детей и подростков, особенно у девушек. Люди с ранним и промежуточным хронотипом завтракают раньше, чем люди с поздним хронотипом, потому что раньше встают. Поэтому у них более продолжительное окно приема пищи, то есть промежуток между первой и последней трапезой, если они начинают учиться после полудня.

Суточный ритм приема пищи важен не меньше, чем ритм сна-бодрствования. Его нарушение связано с невротизмом, снижением физической активности, качества сна и с субъективной оценкой здоровья (см. Н. Резник «Время есть», «Химия и жизнь» 2015, № 6). Продолжительное окно приема пищи и поздние трапезы ведут к перееданию — это один из немногих примеров рассогласования биоритмов у «жаворонков».

Так что подросткам старше 15 лет дневная смена не рекомендуется, а оптимальным временем начала занятий следует считать девять часов утра. Можно в 10:00, но не позже.

К сожалению, это не всегда возможно. Если школа работает в две смены, задержка утренних занятий сдвинет и вечерние. Ученики второй смены будут возвращаться домой очень поздно. Кроме того, относительно позднее начало уроков неудобно родителям младшеклассников, которым надо успеть отвести свое чадо в школу и самим не опоздать на работу. Но это решаемая проблема. Ученики начальной школы могут начинать и пораньше.

Хронотип дошколят изучен еще недостаточно, но по имеющимся данным «совы» в этом возрасте встречаются очень редко. По данным японских исследователей, малыши легко перестраивают свой режим сна-бодрствования под школьное расписание, если родители заботятся об этом и сами показывают пример. Возраст 10–20 лет с точки зрения хронобиологии исследован лучше всего. Именно в этом возрастном диапазоне специалисты отмечают линейную зависимость режима сна-бодрствования от возраста: большинство детей в 10 лет «жаворонки», а в 20 лет — «совы». Впрочем, этот показатель меняется в зависимости от географической широты.

Недавно М. Ф. Борисенков с коллегами опросили более семи тысяч студентов и школьников от 10 до 20 лет, жителей 14 городов Европейского Севера России. Оказалось, что максимальное расхождение социальных и биологических часов наблюдалось у подростков 16–18 лет. В некоторых культурах это происходит немного позже, а в других раньше — в 15–16 лет. После 20 лет «совость» (задержка фазы ритма сна-бодрствования) достигает максимума, а затем частота выявленных «сов» постепенно снижается. Большинство пожилых людей — «жаворонки».

Хронобиотики

К сожалению, у студентов и школьников пока нет возможности выбирать время начала занятий. Первая смена начинается в восемь-девять часов в зависимости от воли школьной администрации. Если школа работает в две смены, то, согласно «Санитарно-эпидемиологическим требованиям к организациям воспитания и обучения, отдыха и оздоровления детей и молодежи», ученики 9–11-х классов должны заниматься в первую смену. Это именно тот возраст, когда вызванная пубертатным периодом задержка фазы сна-бодрствования достигает максимума и приводит к неспособности подростков адаптироваться к школьному расписанию.

В этом случае приходится прибегать к специальным мерам, одна из которых — правильное питание. Существуют вещества, влияющие на работу циркадной системы, самое известное из которых — мелатонин. Прием мелатонина улучшает функции сна и психоэмоциональное состояние, что неоднократно показано в разных экспериментах.

Мелатонин синтезируется в эпифизе (шишковидной железе) животных, и долгое время ученые считали, что его синтез только у животных и происходит. Но в 1995 году исследователи под руководством американского ученого Рассела Рейтера (Russel Reiter) выяснили, что мелатонин образуется и в растениях. Количество мелатонина в разных растениях сильно варьирует, при этом наибольшее его количество найдено у представителей семейства рисовых. Как показали эксперименты, проведенные на цыплятах и кроликах, мелатонин, поступающий с пищей, попадает из кишечника в кровь и способен связываться с мелатониновыми рецепторами в головном мозге млекопитающих.

В таблице приведены усредненные данные, взятые из научных публикаций. Содержание мелатонина даже в одном продукте изменяется в широких пределах, в зависимости от сорта растения, степени зрелости, способа хранения плодов и способа приготовления продуктов.
Содержание МТ в пищевых продуктах выражается в нг/г сырого веса, а в напитках — в нг/мл

Затем настало время работы с людьми. Группа ученых из нескольких бразильских университетов проанализировала данные более 170 опубликованных исследований и пришла к выводу, что разнообразная диета с источниками мелатонина, такими как вишня, виноград, бананы, ананасы, темно-зеленые овощи и японские овощи, может способствовать повышению уровня мелатонина и, следовательно, поддержанию здоровья.

Российские ученые обследовали 1277  школьников и студентов от 16 до 25 лет. Каждый участник заполнил онлайн-анкету со своими личными данными (пол, возраст, рост, вес, окружность талии и успеваемость) и прошел тесты для оценки ритма сна и бодрствования, качества сна и психоэмоционального состояния. Испытуемым также предложили список продуктов, содержащих мелатонин, и они отвечали, сколько продуктов из этого списка они съедают за один прием пищи. На основе ответов можно было приблизительно подсчитать количество ежедневно поглощаемого мелатонина. Оказалось, что потребление более 1,65 мкг пищевого мелатонина в день и более 0,58 мкг на ужин уменьшает социальный джетлаг и жировые отложения на животе. Такие респонденты быстрее засыпают и дольше спят.

У людей с большим социальным джетлагом меняется не только длительность сна, но и его структура: в будни общая продолжительность сна сокращается за счет медленной фазы сна, а в выходные — увеличивается главным образом за счет быстрой. С физиологической точки зрения фазы медленного и быстрого сна принципиально различаются.

Во время медленной фазы сна метаболическая активность клеток головного мозга снижается, размеры клеток уменьшаются, а объем межклеточного пространства увеличивается. Эти изменения облегчают работу глимфатической системы мозга, которая выводит накопившиеся за день токсины (см. Н. Резник «Занятия спящего мозга», «Химия и жизнь», 2014, № 3). Во время фазы быстрого сна метаболическая активность клеток головного мозга повышается, их размеры увеличиваются, а объем межклеточного пространства уменьшается, увеличивается и температура мозга, что мешает работе глимфатической системы и затрудняет работу мозга. Известно, например, что ухудшение когнитивных функций у пожилых людей обусловлено возрастным изменением работы глифатической системы, а пациенты с расстройством быстрого сна часто страдают когнитивными нарушениями, такими как болезнь Паркинсона и деменция с тельцами Леви. Можно предположить, что у школьников с большим социальным джетлагом именно ухудшение работы глифатической системы приводит к снижению успеваемости. У людей, потребляющих больше мелатониновой пищи на ужин, фазы медленного сна в рабочие дни более продолжительны, чем у их сверстников, которые мелатониновых продуктов почти не едят.

Мнения о минимально необходимом количестве пищевого мелатонина расходятся. По данным М. Ф. Борисенкова, человеку в день требуется около 1,5 мкг пищевого мелатонина, но российские исследователи оценивали количество съеденного с пищей мелатонина приблизительно, не учитывали потребление триптофана — предшественника биосинтеза мелатонина, а также влияние физической активности респондентов, общей калорийности их рациона, употребление кофе, алкоголя и никотина.

Другие исследователи получают другие данные. Например, специалисты Медицинского центра университета Раш (США) обнаружили, что прием 0,3 мг мелатонина во второй половине дня смещает фазу ритма сна-бодрствования на более раннее время суток. В данном случае речь идет не о пищевом мелатонине, а о фармакологическом препарате, который полагается принимать в течение недели. В исследовании приняли участие всего 34 человека от 18 до 42 лет. Ученые из японского университета Гифу, проанализировав данные о питании примерно 30 тысяч японцев старше 35 лет, пришли к выводу, что для улучшения качества сна достаточно всего 0,03 мкг/день. Но, поскольку циркадная система с возрастом меняется, данные, полученные для одной возрастной группы, нельзя распространять на остальную часть населения.

И последний, пожалуй, совет тем, кто хочет, но не может уснуть пораньше. Вечерний сон улучшают утренние занятия на свежем воздухе, а свет по вечерам мешает, поэтому не стоит перед сном смотреть на экран, будь он смартфонный, компьютерный или телевизионный. И теперь нам остается только надеяться, что чиновники от образования перенесут наконец начало уроков на 9–10 часов утра хотя бы для учеников средних и старших классов. А школьники от этого будут лучше учиться, меньше болеть и меньше прогуливать — этот показатель, оказывается, тоже зависит от времени начала занятий.

Иллюстрация Сергея Тюнина