Биохронометрия - наука об измерении времени в живых системах - за последние годы накопила множество интересных научных фактов, и гипотез, объясняющих, что является физиологической основой чувства времени, с помощью, каких механизмов животные, и человек способны измерять время, чувствовать его ритм.
Кандидат биологических наук А. БАГДОНАС (г. Вильнюс).
Каждый из нас по-своему представляет время, сравнивая то, что определяет это понятие, либо с одним, либо с другим конкретным явлением. Но чаще всего время представляется чем-то вроде вечно текущей реки - каждый момент вода в ней меняется, но всегда она остается наполненной водой. Иногда эта речка течет слишком быстро, другой раз нас мучает медленность ее течения. Порой хотелось бы остановить неумолимое течение, но оно беспощадно уносит нас с собой, заставляя переживать все новое настоящее. Для возвращения в прошлое остается лишь мысль, и воспоминание о наших переживаниях, а наше «я» так, и плывет непрерывно из настоящего в будущее. Мы, как бы вечно находимся в части, разделяющей двуликую голову древнеримского бога времени Януса. За нами остается бородатое прошлое, впереди от нас - будущее.
Каким же образом мы чувствуем это глубинное течение нашего «я»? С помощью, каких механизмов животные, и человек способны измерять время, определять момент появления того или другого события в будущем, не пользуясь искусственными часами? Попросту говоря, что является физиологической основой чувства времени?
Всеми этими вопросами занимается наука, получившая название биохронометрия, наука об измерении времени в живых системах. Два последних десятилетия характеризуются бурным развитием биохронометрии. Накапливается множество фактов, гипотез, однако, как, и в любой молодой науке, отсутствует всеобще признанная теория, объясняющая механизмы тех явлений, которыми, и занимается биохронометрия. Ясно лишь одно чувство, и восприятие времени, появление самой идеи времени у человека возникли не сразу. Предыстория чувства времени человека начинается в способности живой материи отражать ритмические процессы, происходящие в неживой природе. Эти ритмы стали не только частичкой нашего существования. Они стали очевидной необходимостью, как очевиден сам факт смены дня, и ночи.
БИОЛОГИЧЕСКИЕ РИТМЫ
Ритмика космоса не может не отражаться в особенностях организации живых существ. Возникшие из неживой природы, живые организмы чувствуют этот вечный ритм, они чувствуют, и приспосабливаются к приливам, и отливам, смене темноты, и света, сезонным изменениям. Наконец, живая природа дает новые ритмы рождение, и смерть, вдох, и выдох, ассимиляция, и диссимиляция, и т. д. Однако жизнь не просто приспосабливается к вечному ритму космоса. Приспосабливаясь, она, если так можно выразиться, активно экстраполирует - предвосхищает - будущие изменения в окружающем мире. Биологическая целесообразность такого приспособления понятна. Птицы должны улететь в теплые края, пока не замерзли, и пчела приступить к своей утренней работе к моменту распускания цветков.
Способность живых организмов предвосхищать будущее, и заставила ученых допустить мысль о существовании своего рода биологических часов. Сначала думали, что эти биологические часы работают по принципу песочных часов. Какой-то стимул, скажем, восход солнца, запускает тот или другой физиологический процесс. Происходит энергетическая разрядка, после которой начинается стадия накопления энергии. В качестве модели таких часов приводили обычно разряд конденсатора. Однако скоро ученые обратили внимание на более совершенный способ измерения времени - с помощью циклических (ритмических) процессов. Поэтому наряду с термином «биологические часы» стали появляться такие синонимы, как «физиологические ритмы», «циклические физиологические процессы», «биологические ритмы», и другие *.
Биологические ритмы по степени зависимости от внешних факторов делятся на три группы. Первую группу составляют ритмические процессы, полностью определяемые внешними факторами. Их называют экзогенными ритмами. Примером такого рода ритма может быть состояние анабиоза, вызываемое ритмическим действием вредных факторов - высокими или низкими температурами, химическими веществами. Биологические ритмы, не зависящие от окружающих воздействий, или эндогенные ритмы, протекают в постоянных условиях. Период таких ритмов характерен для каждого вида животных и передается по наследству из поколения в поколение. Например, как выяснил немецкий ученый Э. Бюнинг, ритм движения листьев фасоли в постоянных условиях имеет 28-часовой период, и он наследуется.
Недавно открытое этологами явление импринтинга (запечатления) позволяет думать о существовании третьей группы ритмов, где наследуется не сам ритм, а потенциальная возможность жить в определенном ритме. Реализуется эта возможность лишь тогда, когда организм после рождения попадает в условия, соответствующие историческому развитию вида. Новорожденный организм вначале живет аритмично. Однако скоро, под влиянием среды или своих родителей, он усваивает ритм с определенным периодом.
Этот так называемый запечатленный ритм фиксируется в нервной ткани на всю жизнь и по своим свойствам не отличается от врожденных (эндогенных) ритмов. Разница лишь та, что аппарат врожденного созревает еще в утробе матери, в то время, как структурная, и конечная реализация запечатляемого ритма происходит в раннем периоде жизни. Разграничение истинно врожденных и запечатляемых ритмов требует специальных исследований. Это разграничение всегда будет носить лишь условный характер, так, как между крайними группами всегда найдутся разные переходные типы с разным соотношением роли наследственных факторов, и условий среды.
Чтобы выяснить природу физиологического ритма, исследователи проводят эксперименты в постоянных условиях (постоянная температура, освещенность, влажность). Результатом такого опыта могут быть три случая 1) периодичность исследуемого ритма сразу исчезает - значит, перед нами экзогенный ритм; 2) периодичность исчезает постепенно, причем длительность периода затухающего ритма не меняется, - здесь мы скорее всего имеем дело с тем, что в опыте не учитывается, какой-то фактор среды; 3) периодичность остается, но меняется длительность периода - налицо эндогенный ритм.
По своему назначению биологические ритмы подразделяются на экологические (то есть связанные с внешней средой) и функциональные. Первые по длине периода совпадают с соответствующими природными, иначе - геофизическими ритмами. Вторые имеют свой период, и связаны с текущей жизнедеятельностью организма - сердцебиение, ритм дыхания, ритмические сокращения кишечного тракта и т. д.
Особого внимания биологов заслужил один из экологических ритмов - суточный ритм. В течение суток меняется температура, освещенность, и влажность окружающей среды. Казалось бы, эти изменения и определяют ритмические колебания физиологических процессов. Однако оказалось, что эти процессы не просто следуют за внешними факторами. В течение эволюции суточный ритм для большинства живых организмов стал внутренним, в то время, как воздействия окружающей среды исполняют лишь роль синхронизаторов, помогающих животному не уклоняться от 24-часового периода жизни. Поэтому даже при постоянных условиях внешней среды этот период в зависимости от вида животного либо удлиняется, либо укорачивается, но сохраняется.
От 40 до 50 физиологических процессов человека подвергаются суточным колебаниям. Например, уже в XIX веке было известно, что утром температура тела человека ниже, чем вечером. Температурный ритм тела не зависит от физической нагрузки или режима питания.
К группе экологических ритмов относятся ритмы прилива, и отлива, сезонной активности и лунные ритмы. Например, почти все водяные насекомые откладывают яйца в одной фазе луны, а личинки появляются в другой. Индийские буйволы, лесные мыши Юго-Восточной Азии, и некоторые другие млекопитающие спариваются лишь в определенной лунной фазе. Газели, перевезенные из Центральной Африки в Египет, долгие годы сохраняли ритмы сезонной активности размножения, характерные для их родины.
ЧАСЫ ЖИВЫХ СИСТЕМ
Четкая ритмичность почти всех физиологических процессов говорит о том, что это - одно из основных свойств живой природы. Какие механизмы гарантируют сохранение такой ритмики и после того, как исключается действие внешних синхронизаторов? Ответив на этот вопрос, мы ответим, и на следующий, каким образом живой организм измеряет время? Ведь каждая точка отклонения любого физиологического процесса от среднего значения не, что иное, как определенное состояние клеток, и тканей. Это состояние становится мотивом, толчком того или другого поведенческого акта, а тем самым, и стрелкой времени (см. рис. на стр. 38).
Наконец, человек с помощью таких протекающих один за другим, и доходящих до сознания состояний может определять не только время суток, но, и оценивать интервалы времени разной длительности. Однако остается неясным, какие именно состояния организма можно считать ведущими, так, как ритмических процессов в организме много. Вероятно, надо допустить, что в организме работают часы разной сложности, которые контролируются одними или несколькими центральными часами. Чем сложнее организм, тем более сложное взаимодействие его часов.
Уже черви, членистоногие, и моллюски обладают железами внутренней секреции, работу которых регулирует нервная система. Предварительные опыты показали, что гормоны этих желез влияют на двигательную активность животного, окраску, сексуальную активность, и т. д. Это подтверждается многими экспериментами и, в частности, очень любопытными опытами на тараканах, которые провела американский нейрофизиолог Ж. Харкер. (Об этом журнал «Наука, и жизнь» рассказал в номере 12 за 1970 год.)
Однако наибольшей сложности регуляция ритмической деятельности организма достигла у млекопитающих. Американский ученый Г. Рихтер думает, что у высших позвоночных есть три класса биологических часов периферические, гомеостатические, и центральные. Периферические часы характерны для всех органов, тканей, и клеток. Гомеостатические часы связаны с гуморальными механизмами - механизмами поддержания постоянства внутренней среды организма. И высший центр гомеостатических часов - гипоталамус, регулирующий деятельность почти всех желез внутренней секреции. Центральные часы, структурной основой которых является нервная система, производят верховный контроль всех физиологических процессов.
Все три класса часов тесно взаимосвязаны друг с другом при помощи прямых, и обратных связей. Выделяемые гормоны, продукты обмена веществ, нервные импульсы - лишь средства взаимодействия. Само же взаимодействие приобретает ритмический характер. Этот ритм, как движущаяся стрелка часов, указывает организму время.
НЕЙРОНЫ ЭКСТРАПОЛЯЦИИ Й РЕФЛЕКСЫ НА ВРЕМЯ
Нервная система - орган высшего контроля жизнедеятельности. Поэтому, и основные механизмы чувства времени, или, как его еще называют, генеральные часы, надо искать, видимо, именно здесь. Подходы к этому вопросу могут быть разными. Например, психолог Г. Пьерон допускает, что в основе чувства времени лежат ритмические электрические процессы мозга. Физик У. Гуди поддерживает гипотезу Г. Пьерона, уточняя при этом генеральные часы мозга тесным образом связаны с суммарной электрической активностью клеток, которая регистрируется в виде альфа-ритма.
Кибернетик Н. Випер считает, что если альфа подобную активность мозга можно вызвать искусственно, действием ритмических раздражителей с частотой 10 в секунду, то естественно предположить, что, и натуральный альфа-ритм - это реакция мозга на, какие-то внутренние ритмические воздействия. Такой абстрагированный ритм, и лежит в основе головных часов.
Английский нейрофизиолог Г. Хорн в зрительном участке коры головного мозга кошки, и советский нейрофизиолог Н. Данилова в образованиях межуточного мозга нашли нейроны, генерирующие нервные импульсы с регулярным интервалом, который может стать единицей измерения времени.
Профессор Московского государственного университета Е. Соколов полагает следующее. Любой стимул несет определенный комплекс признаков, которые, действуя на нервную систему, оставляют свои следы, или, иначе, формируют нервную модель стимула. И важное значение здесь имеют не только энергетические, и пространственные признаки, но, и время - продолжительность действия раздражителя, и его вариантов, их смена во времени. Исходя из того известного факта, что энергетические, и пространственные признаки выделяются с помощью специальных нейронов, Е. Соколов допускает, что должны существовать, и нейроны, прогнозирующие временные параметры раздражителя. Он назвал такие нервные клетки нейронами экстраполяции - - предвосхищения. И действительно, ряд исследователей (Т. Вардапетян, О. Виноградова, М. Рабинович, автор данной статьи, и др.) нашли такие нейроны в нервной системе млекопитающих. В одних частях мозга таких нейронов больше, в других меньше, но в общем нервная система не только сохраняет следы действовавших раздражителей, по, и прекрасно предвидит их появление, если они повторяются в определенном ритме.
В основе такого предвидения лежат условные рефлексы на время, подвергшиеся исследованию еще в лабораториях академика И. П. Павлова. Классическим считается следующий эксперимент. Собака помещается в специальную камеру. Кормление животного производится ритмически с постоянным интервалом, скажем, каждые полчаса. Через некоторое время выделение слюны начинает повышаться еще до кормления. Если кормление пропустить, то все равно количество выделенной слюны не уступает тому количеству, которое выделяет животное во время кормления. Павлов назвал эти реакции условными рефлексами на время. Раздражителем, как полагал Павлов, служит не время само по себе, а состояние внутренних органов. Интересен в этом отношении тот факт, что человек с анестезированными внутренними органами во время хирургических операций теряет способность оценивать интервалы времени.
Биологические часы, таким образом, распадаются, как бы на две составные части. Одна развилась в процессе эволюции, и имеет эндогенную (внутреннюю) природу. В этом механизме измерения времени участвует целый ряд физиологических процессов. Второй механизм связал с образованием временных связей в виде условных рефлексов на время. Если структурную основу первых составляют гипоталамус, и его многочисленные нервные, и эндокринные связи, то вторые непосредственно связаны с, деятельностью коры больших полушарий. Связь между этими системами не только возможна, но, и обязательна. Биологический хронометр организма постоянно сигнализирует в кору об изменениях во внутренней среде. Получив эти сигналы, кора больших полушарий направляет деятельность организма. С другой стороны, кора посылает сигналы всем часам организма о том, что нужно изменить длину периода в связи с неожиданными изменениями в однообразной среде.
ПСИХОЛОГИЯ ВОСПРИЯТИЯ ВРЕМЕНИ
Наряду с физиологическими процессами, ритмически протекающими в организме, существуют еще прогрессивные изменения в клетках, и тканях. Эти изменения, повторяющиеся из поколения в поколение, составляют цикл индивидуальной жизни животной особи или человека. В нем мы выделяем такие моменты, как рождение, созревание, старение, и смерть. Индивидуальная жизнь независимо от того, продолжается ли она несколько минут или исчисляется десятилетиями, завершается смертью. Хотя одни особи одного, и того же вида живут дольше, другие меньше, в течение эволюции выработалась своя средняя продолжительность периода, отделяющего одно поколение от другого. Живой организм - что-то вроде заведенного будильника. Если с пружиной ничего не случится, он будет тикать, и тикать, пока не зазвенит единственный раз, сообщая о последнем часе. Стрелка индивидуальной жизни сделает лишь один круг.
По мере прогрессивных изменений в организме время убыстряет свой темп. Случается это, как объясняет английский физик Дж. Витроу, не только потому, что наша жизнь становится полнее, но, и потому, что единица физического времени становится все меньшей частичкой нашей прожитой жизни.
Несмотря на эти прогрессивные изменения, человек в течение всей жизни способен довольно точно оценивать интервалы времени Некоторые люди, на длительное время помещенные в постоянные условия, способны достаточно точно определить время суток или оценить длительность интервала. Можно предполагать, что приходящие из внутренних органов в мозг влияния, а также состояние самого мозга, и непрерывная психическая деятельность создают неопределенное чувство текущего «я».
Интересную историю, описанную путешественником Андерсеном, пересказывает Витроу в своей книге «Естественная философия времени». Человек, накурившись гашиша, должен был оценивать интервалы времени во время беседы с экспериментатором. Одурманенный наркотиком испытуемый, находясь в состоянии галлюцинации, видел большую измерительную ленту, вдоль которой двигалась стрелка, отмеряя не сантиметры или метры, а секунды, минуты, часы, и дни. Когда экспериментатор сообщал время, эта умозрительная стрелка показывала его на ленте. Если, наконец, испытуемого просили сообщить, когда пройдет, скажем, 5 минут, и 30 секунд, он делал это точно, «следя» за движущейся стрелкой.
Описанное наблюдение нигде не повторено. Но тем не менее точные психологические измерения указывают на то, что должен существовать интервал времени, который человек определяет с большой точностью. Еще в прошлом веке было известно, что короткие интервалы обычно переоцениваются людьми, длинные - недооцениваются. Значит, существует, какой-то промежуточный интервал, при определении которого человек делает минимальную ошибку. Этот интервал был назван «нейтральным интервалом». Несмотря на многочисленные попытки определить нейтральный интервал, точная его величина до сих пор неизвестна. Многие авторы считают, что он лежит где-то в пределах 0,36 - 0,7 сек. По-видимому, он варьируется от человека к человеку, зависит от состояния организма, и нервной системы. Существуют попытки привязать нейтральный интервал к определенным фи4Г экологическим процессам - длительности шага, интервалу между двумя фазами работы сердца, длительности зрительного распознавания, и т. д.
В нормальных условиях на оценку времени сильно влияют субъективные переживания. Ведь чем больше заполнен интервал времени событиями, тем он быстрее проходит, а чем меньше, тем тягостнее, и длительнее кажется. По отношению к прошлому все наоборот интервал времени кажется длиннее, если он был богат событиями. События расчленяют прошлое время на отдельные отрезки, в то время, как настоящее не расчленяется; оно течет, непосредственно переживается. Психологи это правило называют законом заполненного интервала времени. Эмоциональные переживания также сильно влияют на оценку времени. Заполненное положительными эмоциями настоящее время убыстряет свой темп, заполненное отрицательными эмоциями удлиняет.
Оценка времени зависит от индивидуальных особенностей личности. Одни люди склонны удлинять интервалы времени, другие укорачивать. Пока неизвестно, с, какими именно особенностями организма нужно связывать переоценку или недооценку интервалов времени.
Как правило, естественное или искусственное повышение температуры тела вызывает переоценку времени. Фармакологические вещества с тормозящим эффектом (разные снотворные) вызывают у человека недооценку деятельности интервалов времени, в то время, как возбуждающие (алкоголь, кофеин) влекут за собой их переоценку.
ВОЗНИКНОВЕНИЕ ПОНЯТИЯ ВРЕМЕНИ
Как возникло абстрактное понятие времени? Что оно означало для первобытного человека? Чтобы ответить на эти вопросы, нам придется вновь обратиться к ритмическим процессам. Отклонение физиологического процесса от среднего значения переживается, как определенное состояние. Интервал времени от одного состояния до другого аналогичного состояния становится гой секундой или минутой измерения, которыми мы пользуемся, измеряя время.
Несомненно, развитие идеи времени связано с возникновением человеческого сознания, и мышления. Ведь эволюция человека (антропогенез) не, что иное, как непрерывное освобождение от непосредственных чувственных переживаний. Накопление чувств, которые составляли направленную на будущее внутреннюю перспективу примата, помогло человеку подняться над своим переживанием, абстрагироваться от него, и посмотреть на него, как бы со стороны. По мнению антропологов, сильное развитие лобных долей больших полушарий связано со способностью человека приспособиться к будущим изменениям, с высокой точностью предвидеть то, что будет. Такое мнение подтверждается, и нейрофизиологическими экспериментами. Например, английский электрофизиолог Грей Уолтер показал, что, когда человек ожидает появления определенного раздражителя, с лобных долей регистрируется электрический потенциал, получивший название - «волна ожидания». Максимума эта волна достигает в тот момент, когда должен появиться ожидаемый раздражитель.
Доисторическое развитие идеи времени было тесно связано с развитием языка. Здесь принципиальную роль сыграл ритм. Ведь ритм - это повторение того, что было, и, что еще должно появиться. В результате ритмического повторения это «что-то» закрепляется в виде следа, формирующего состояние ожидания. Отсутствие связанной памяти, и мысли отрывает этот след (или прошлое) от настоящего. С будущим настоящее связано посредством ожидания, так, как эта способность появляется уже на самом раннем этапе развития организма. Од ним словом, сначала человек научился смотреть вперед, потому, и речь первобытного человека должна была быть направлена на будущее.
Наш предок жил временными переживаниями, ассоциациями, расчленяющими время на интервалы. Он выделял не такие параметры, как продолжительность или направленность, а повторяемость. Время для него было ритмическим повторением известных ему явлений. Вещи, и явления были реальны постольку, поскольку они повторяли свой прототип. В этом отношении первобытное понимание времени было более правильным, чем наше повседневное понимание (речь не идет о специалистах). Мы, абстрагируясь от конкретных явлений, абсолютизируем время, отрываем его от материи.
То, что ритм действительно играл большую роль в деятельности первобытного человека. подтверждает тот факт, что уже в историческом развитии человека религиозные праздники проводились в определенной фазе луны. Солнце, и Луна, которые демонстрировали вечную повторяемость, возводились в ранг божества. Лунный месяц был самой распространенной единицей измерения времени, имеющего длинный период.
Возникшее понятие времени далее развивалось в системе философии, и наук о природе. Проблема времени изучается в разных аспектах. Поэтому ученые склонны выделить универсальное математическое, релятивистское, и космическое время. Аспект индивидуального времени включает вопросы измерения, и восприятия времени биологическими системами. Наивысшая из этих систем - Homo Sapiens - сумела оторваться от непосредственного переживания ритмических изменений во внутренней, и внешней среде, и сказать устами великого немецкого философа Фейербаха «Пространство, и время - не простые формы явлений, а коренные условия бытия»
Владимир Ильич Ленин определял время, как форму существования материи. Эго означает, что пространство, и время не существуют сами по себе, вне связи с материей. Свойства пространства, и времени существуют, как свойства самой материи.
