Thí nghiệm kỳ lạ trong hang động khiến nhân loại phải thay đổi lại cách nhìn nhận về đồng hồ sinh học trong cơ thể con người

Nếu bạn để một người vào trong một hang sâu để sinh sống, nơi mà không tồn tại sự khác biệt giữa ngày và đêm hay nhiệt độ và buộc điều kiện thay đổi thành 28 giờ một ngày hay rút ngắn lại còn 21 giờ một ngày, một tuần được chia thành 8 ngày thay vì 7 thì những gì được coi là chuẩn mực của cơ chế sinh học của con người sẽ thay đổi như thế nào?

Nathaniel Kleitman được công nhận là chuyên gia đầu tiên trên thế giới nghiên cứu giấc ngủ của con người một cách có hệ thống, và được biết đến như là "cha đẻ của giấc ngủ hiện đại". Ông cũng là người phát hiện ra giấc ngủ REM (chuyển động mắt nhanh), và do đó đã đưa ra giả thuyết về các giai đoạn khác nhau của giấc ngủ.

Trước khi trở nên nổi tiếng, ông đã có nhiều phỏng đoán độc đáo về giấc ngủ. Ví dụ, thời gian hoàn hảo để con người ngủ bao lâu, điều gì sẽ xảy ra nếu bạn không ngủ trong một thời gian dài, khi nào ngủ và khi nào thức dậy mới là tốt nhất đối với cơ thể.

Nhưng nếu bạn muốn làm rõ những vấn đề này, trước tiên bạn phải tìm ra tiêu chuẩn xác định "giấc ngủ". Hành động mở mắt được là một bằng chứng của việc thức dậy và bắt đầu tỉnh táo sau một giấc ngủ, nhưng nhắm mắt lại không có nghĩa là bạn đang ngủ.

Vào đầu thế kỷ XX, sự ra đời của các bản đồ sóng não đã mang lại sự thuận tiện lớn cho nhiều nhà nghiên cứu khoa học thần kinh và khoa học não bộ. Dựa trên sự thay đổi của sóng não, các nhà nghiên cứu có thể dễ dàng xác định sự chuyển đổi trạng thái đang trong giấc ngủ và trạng thái thức dậy.

Ngoài ra, các nhà khoa học thời đó cũng đã hiểu được sự thay đổi theo chu kỳ của nhiệt độ cơ thể con người trong suốt cả ngày. Nhiệt độ cơ thể bắt đầu giảm trong khi ngủ, và tăng dần sau khi thức dậy, đây là một quá trình diễn ra theo chu kỳ. Và cũng chính sự xuất hiện của "hai món vũ khí" này đã giúp Kleitman có cơ hội thực hiện những thí nghiệm khoa học của mình.

Vào thời điểm đó, Kleitman đã thực hiện khá nhiều thí nghiệm về giấc ngủ bằng cách sử dụng chính cơ thể mình làm vật liệu thí nghiệm. Ông đã buộc mình không ngủ được tới 180 giờ (khoảng một tuần), nỗ lực điều chỉnh thói quen sinh hoạt theo 24 giờ hàng ngày của mình thành 48 giờ. Cuối cùng, Kleitman đã thử một tuần sống theo quy luật "39 giờ vào ban ngày và 9 giờ vào ban đêm", nhưng thử nghiệm này chưa bao giờ thành công. 

Tương tự, sinh viên của ông cũng tiến hành các thí nghiệm khác và cố gắng rút ngắn một ngày xuống còn 12 giờ và ngủ hai lần trong vòng 24 giờ. Nam sinh viên này đã kiên trì thực hiện thí nghiệm này trong 33 ngày, nhưng vẫn không thể thích nghi tốt với thời gian biểu như vậy.

Và hiển nhiên kết quả của hai thí nghiệm nói trên đều thất bại, lý do có thể đến từ môi trường thí nghiệm bị xáo trộn bởi các yếu tố ngoại cảnh. Bởi vậy, Kletman lại bắt đầu lên kế hoạch cho một thí nghiệm khác có tính khả thi cao hơn và chặt chẽ hơn.

Ông đã chuẩn bị hai kế hoạch mới, nén một ngày thành 21 giờ và kéo dài lên 28 giờ. Theo cách này, thời gian trong tuần có thể chia thành 8 ngày và 6 ngày, hướng nghiên cứu này không những khiến cho biên độ trở nên nhỏ hơn, dễ thích nghi hơn mà còn không ảnh hưởng nhiều đến công việc và cuộc sống của người làm thí nghiệm.

Nhưng trên thực tế, kết quả cuối cùng của thử nghiệm vẫn chưa rõ ràng. Vào cuối thí nghiệm, chu kỳ thay đổi thân nhiệt của nam sinh viên nói trên đã trùng với chu kỳ làm việc và nghỉ ngơi mới. Nhưng chu kỳ nhiệt độ cơ thể của chính Kletman thì vẫn ổn định như ban đầu, vẫn tuân theo quy luật 24 giờ. Trên thực tế, có rất nhiều yếu tố bên ngoài không thể tránh khỏi trong thí nghiệm này. Ví dụ, mặt trời mọc và lặn, sấm sét, nhiệt độ thay đổi giữa ngày và đêm...

Để loại bỏ những xáo trộn khác nhau trong cuộc sống bình thường, Kleitman đã chọn thử nghiệm một lần nữa trong Hang Mammoth ở Kentucky, Mỹ. Hang Mammoth là một trong những hang động dài nhất được biết đến trên thế giới. Nhiệt độ ở đó là 12 độ C quanh năm, và không tồn tại sự khác biệt ánh sáng giữa ngày và đêm. Có thể nói lần này Kletman đã cố gắng hết sức để loại bỏ mọi yếu tố gây nhiễu.

Kleitman và học trò Richard đã tìm thấy một phần của hang động rộng 20m và cao 8m. Họ kê một cái bàn, hai cái ghế, một cái bồn rửa và hai cái giường ở đó để làm môi trường thử nghiệm. Nhưng trong quá trình tiến hành, họ đã bị chuột tấn công, đây được coi là một yếu tố gây nhiễu, bởi vật họ đã dùng nhưng xô sắt tròn để kê dưới chân giường để đề phòng chuột.

Trong lần thử nghiệm trong hang động này, cả hai đã tuân theo thói quen 28 giờ một ngày, 6 ngày một tuần, trong đó một ngày được chia ra 9 tiếng dùng để ngủ, 10 tiếng dùng để làm việc, thời gian còn lại có thể dùng cho bất cứ việc gì trừ ngủ.

Họ đo nhiệt độ cơ thể 2 giờ một lần khi thức và 4 giờ một lần khi ngủ (thời gian ngủ của hai người được so sánh và đo với nhau). Cả hai đã trốn trong hang sâu này trong suốt 32 ngày.

Ngày 6 tháng 7 năm 1938, là ngày mà cả hai thầy trò bước ra khỏi hang. Vào năm sau đó, Kleitman đã xuất bản chuyên khảo về thí nghiệm "Giấc ngủ và chứng mất ngủ", trong đó ghi lại chi tiết kết quả cuối cùng của thí nghiệm nói trên.

Trong 32 ngày đó, Richard chỉ mất một tuần để làm quen với thời gian biểu 28 giờ, và sự thay đổi nhiệt độ cơ thể trùng khớp với thời gian biểu mới. Nhưng bản thân Kleitman, người hơn Richard 20 tuổi, vẫn không có sự thay đổi nào. Mức độ thay đổi nhiệt độ cơ thể thường xuyên của ông vẫn có xu hướng duy trì thói quen 24 giờ mỗi ngày. Có vẻ như có một đồng hồ sinh học độc lập chạy bên trong cơ thể con người, và nó vẫn chính xác ngay cả khi thay đổi môi trường bên ngoài.

Cũng chính nhờ kết quả của nghiên cứu này mà Kleitman đã trở nên nổi tiếng và sau đó trở thành "cha đẻ của nghiên cứu giấc ngủ hiện đại", nhưng trên thực tế vẫn còn rất nhiều vấn đề cần giải quyết hơn. Hai mươi bốn năm sau, một nhà địa chất học đã tình cờ  mang lại cho chúng ta một hiểu biết mới về cơ chế thay đổi sinh học của con người.

Michel Siffre lúc đó mới 23 tuổi và rất quan tâm đến cuộc chạy đua vũ trụ cũng như chạy đua vũ trang trong Chiến tranh Lạnh. Bởi vậy anh đã nhiều lần tưởng tượng ra các kịch bản của cuộc sống như du hành dài ngày giữa các vì sao hoặc sống trong một nơi trú ẩn để tránh bức xạ.

Là một nhà địa chất, Siffre được đào tạo bài bản và thường khảo sát các hang động và hiển nhiên chàng trai trẻ này cũng tò mò với cuộc sống ở trong hang động. Vì vậy, anh luôn cố ý hoặc vô ý khiến bản thân quên đi thời gian sau khi vào hang, và cố gắng không để các yếu tố bên ngoài can thiệp vào “công việc” của mình.

Vào ngày 16 tháng 7 năm 1962, Siffre phát hiện ra một hang động tối tăm không có ánh sáng mặt trời. Lúc đầu, anh định ở trong hang khoảng hai tuần, nhưng anh sớm phát hiện ra rằng hai tuần là quá ngắn và có thể mất nhiều thời gian hơn để hoàn thành nghiên cứu. Vì vậy, trong hai tháng, anh ta vứt bỏ đồng hồ của mình, để sống theo bản năng. Bởi vậy, anh phải tính toán thời gian của từng ngày dựa trên giấc ngủ, một giấc ngủ được tính là một ngày.

Số ngày được ghi trong sổ tay của Siffre ngày càng nhiều, và cuối cùng cũng đến mốc thời gian mà anh đi ra khỏi hang. Dựa theo mốc thời gian ban đầu, ngày anh đi ra khỏi hang sẽ là ngày 20/8 nhưng trên thực tế, tại thời điểm anh đi ra khỏi hang đã là ngày 14/9, thời gian này dài hơn dự tính 25 ngày. Theo quy luật thông thường, đồng hồ sinh học trong cơ thể của con người sẽ là 24 giờ một ngày, vậy tại sao điều này lại xảy ra?

Chính điều này đã khiến Siffre phải trăn trở trong 10 năm, và sau đó quyết định tiến hành một thí nghiệm cô lập trong hang động siêu dài. Anh chọn bắt đầu tiến hành thí nghiệm này với thời gian kéo dài hơn 6 tháng trong một hang động dưới lòng đất ở Texas, Mỹ. Lúc đầu thời gian cho công việc và nghỉ ngơi của Siffre rất đều đặn, khoảng 24 giờ 30 phút. Anh ấy viết trong ghi chú của mình: “Giấc ngủ của tôi thật hoàn hảo! Cơ thể tôi đã tự lựa chọn thời điểm đi vào giấc ngủ và ăn”.

Trong những tuần tiếp theo, chu kỳ ngày - đêm của Siffre dần dần kéo dài thành 26 giờ một cách khá ổn định. Nhưng bắt đầu từ tuần thứ sáu, mọi thứ bắt đầu có dấu hiệu thay đổi rõ ràng. Ngày thứ 37 trong thời gian thực trên thực tế lại là ngày thứ 30 đối với Siffre khi ở trong hang. Anh ấy đã trải qua một “ngày dài” vào ngày này, và sau đó ngủ liên tục trong 15 giờ. Mặc dù hầu hết thời gian một ngày đối với anh khi ở trong hang vẫn là khoảng 26 giờ, nhưng đôi khi sẽ có một "ngày dài” lên tới 36 giờ hoặc thậm chí hơn 48 giờ.

Điều khó hiểu hơn nữa là Siffre hoàn toàn không hề hay biết về những "ngày dài" như vậy. Anh thậm chí còn cảm thấy 48 giờ một ngày giống như một ngày bình thường, và nó không hề dài chút nào. Nhưng những ngày sinh sống một mình trong hang cũng khiến Siffre dần gục ngã bởi cuộc sống cô lập trong hang động tẻ nhạt. Anh bắt đầu cảm thấy trống trải tột độ và muốn thoát ra khỏi hang càng sớm càng tốt.

Vào ngày thứ 79, anh đã gọi cho một đồng nghiệp và yêu cầu kết thúc thí nghiệm, nhưng lúc này anh lại được thông báo rằng bản thân thậm chí còn chưa thực hiện được một nửa thời gian so với dự định ban đầu. Điều này đã khiến anh cảm thấy ngột ngạt, có lúc anh còn muốn tự vẫn nhưng may thay, anh đã từ bỏ ý định đó vì nhớ bố mẹ mình.

Cuối cùng, anh quyết định kiên trì tiến hoàn thành thí nghiệm và đã sống trong hang động ngầm này trong 205 ngày. Những cống hiến cho khoa học của Schiff một lần nữa mang đến một góc nhìn mới: sự đều đặn vốn có của công việc và nghỉ ngơi của con người có thể sẽ bị thay đổi.

Sau thử nghiệm, các ghi chú của Siffre đã được nhà tài trợ, NASA, nghiên cứu chi tiết và những phát hiện này có thể giúp ích rất nhiều cho binh lính, tàu ngầm và phi hành gia. Và nghiên cứu này sau đó đã đoạt giải Nobel vào 2017.

Nghiên cứu phát hiện ra các "gen nhịp điệu" điều khiển đồng hồ sinh học ở ruồi giấm. Gen này khẳng định rằng có một đồng hồ sinh học thực sự tồn tại, nếu gen này bị triệt tiêu, khoảng thời gian để sinh hoạt và nghỉ ngơi của ruồi giấm sẽ trở nên hỗn loạn.