что такое биологические ритмы биологические
Биологические ритмы
Периодически повторяющиеся изменения характера и интенсивности биологических процессов и явлений; свойственны живой материи на всех уровнях ее организации — от молекулярных и субклеточных до биосферы.
Временную организацию биологических систем, роль фактора времени в осуществлении биологических явлений и в поведении живых систем, природу, условия возникновения и значение Б. р. для организмов изучает биоритмология — одно из направлений сформировавшегося в 60-е гг. раздела биологии — хронобиологии. На стыке биоритмологии и клинической медицины находится так называемая хрономедицина, изучающая взаимосвязи Б. р. с течением различных заболеваний, разрабатывающая рациональные схемы лечения и профилактики болезней с учетом Б. р. и исследующая другие медицинские аспекты Б. р. и их нарушений.
Адаптация организмов к окружающей среде в процессе эволюционного развития шла в направлении как совершенствования их структурной организации, так и согласования во времени и пространстве деятельности различных функциональных систем. Исключительная стабильность периодичности изменения освещенности, температуры, влажности, геомагнитного поля и других параметров окружающей среды, обусловленных движением Земли и Луны вокруг Солнца, позволила живым системам в процессе эволюции выработать стабильные и устойчивые к внешним воздействиям временные программы, проявлением которых служат Б. р. Полагают, что такие ритмы, обозначаемые иногда как экологические, или адаптивные (такие, как суточные, приливные, лунные и годовые), закреплены в генетической структуре. В искусственных условиях (например, при непрерывном освещении или темноте) периоды таких ритмов отклоняются от периодов соответствующих ритмов окружающей среды, проявляя тем самым свой собственный период.
Для обозначения ритмов, которые синхронны с ритмами среды, употребляют термины циркадианный (околосуточный), циркатидальный (околоприливный), циркалунарный (окололунный), циркааннуальный (окологодовой).
Для описания ритма используют следующие параметры: период или частоту (количество колебаний в единицу времени), амплитуду — максимальное отклонение от средней, фазу — положительную или отрицательную, акрофазу — время максимального отклонения.
Выделяют ритмы высокой, средней и низкой частоты. Высокочастотные ритмы включают Б. р. с периодом от долей секунды до 30 мин. К ним относят ритмы электрической активности головного мозга, мышц, сердца, ритм дыхательных движений. Регистрация высокочастотных ритмов органов и тканей — электроэнцефалография, электрокардиография, электромиография и др. — широко используется при диагностике различных заболеваний и оценке функционального состояния соответствующих органов и систем.
Б. р. средней частоты включают ритмы с периодом от 30 мин до 6 сут. В этой группе различают: ультрадианные ритмы (период от 30 мин до 20 ч), среди которых наиболее известны ритмы с периодом около 90 мин — ритмы чередования активности и покоя у новорожденных, чередования фаз медленного и быстрого сна, общей двигательной активности, экскреторной функции почек; циркадианные (период 20—28 ч), к которым относят изменения температуры тела, частоты сердечных сокращений, величины АД, степени работоспособности на протяжении суток.
Группу Б. р. низкой частоты составляют околонедельные, околомесячные, окологодовые и многолетние ритмы. Околонедельному ритму подчиняется ритм выделения с мочой ряда физиологически активных соединений, например 17-кетостероидов и эстрона, околомесячному — овариально-менструальный цикл у женщин. Окологодовые и многолетние ритмы выявляют при анализе заболеваемости, рождаемости, продолжительности сна, показателей иммунитета, роста и развития детей и т.д. Выраженность годовых (сезонных) ритмов нарастает по мере увеличения географической широты и отчетливо проявляется у организмов, населяющих умеренные и полярные зоны, где сезонные различия наиболее отчетливы.
Ритмический характер изменения ряда функций не обнаруживается в первое время после рождения и формируется лишь спустя некоторый период. Так, суточный ритм сна и бодрствования появляется на втором месяце жизни, ритм кортикостероидов в плазме крови иногда отсутствует до двухлетнего возраста. Становление ритмов может продолжаться вплоть до периода полового созревания. Время появления ритмичности зависит от уровня зрелости новорожденного. У недоношенных детей ритмичность формируется значительно позже по сравнению с родившимися в срок. Ведущими датчиками времени, с которыми сталкивается новорожденный, являются уход и кормление. Изменения параметров Б. р. по мере старения ограничиваются в основном изменением амплитуды ритмов, вплоть до исчезновения некоторых из них (например, ритм экскреции гормона роста, тестостерона, лютеинизирующего гормона). Следствием смещения фаз ритмов в процессе старения являются увеличение доли дневного сна, увеличение частоты прерывания ночного сна, раннее пробуждение.
Наиболее изучен циркадианный (околосуточный) Б. р. Экспериментальные и клинические данные дают основание полагать, что состояние этого ритма является универсальным критерием общего состояния организма. Установлены циркадианные колебания более 300 физиологических функций организма человека. Эти исследования позволили разработать и составить «циркадианную систему человека». Согласно этой системе, масса тела является максимальной в 18—19 ч, частота сердечных сокращений — в 15—16 ч. частота дыхания — в 13—16 ч, систолическое артериальное давление — в 15—18 ч, уровень эритроцитов в крови — в 11—12 ч, лейкоцитов — в 21—23 ч, гормонов в плазме крови (АКТГ, кортизол, 17-гидроксикортикостерон), циклического аденозинмонофосфата — в 8—12 ч, инсулина, ренина — в 18 ч, тестостерона — в 8—9 ч, тироксина — в 14—15 ч, общего белка крови — в 17—19 ч, фибриногена —в 18 ч, билирубина (общего) — в 10 ч, трансаминазы — в 8—9 ч, холестерина — в 18 ч, азота мочевины — в 22—23 ч. Утром замедляются, а вечером ускоряются психические процессы. В свою очередь, на ритмы физиологических и психических функций влияют смены сна и бодрствования, активности и покоя. Параметры суточной кривой работоспособности в период бодрствования (фаза, амплитуда, акро-фаза) зависят от множества факторов: типа личности, общей обстановки, приема пищи, уровня мотивации и т.д.
Циркадианная система включает множество отдельных подсистем, каждая из которых, вероятно, способна самостоятельно, независимо от других подсистем периодически изменяться. Формирование единой циркадианной системы обеспечивается, с одной стороны, за счет четкой внутренней упорядоченности фазовых соотношений составляющих ее ритмов, с другой — за счет синхронизирующего действия внешних датчиков времени. По мнению большинства исследователей, регуляцию ритмов циркадианной системы обеспечивает гипоталамо-гипофизарная система. При высокой степени сопряженности подсистем для синхронизации всей системы в целом не обязателен внешний датчик времени. Врожденная программа временной упорядоченности функций в процессе развития организма модифицируется в направлении приспособления к временному профилю среды. Способность «предсказывать» время суток позволяет организму опережающе предвидеть требования к гомеостатическим системам и заранее подключать для получения приспособительного результата те эффекторы, включение которых в ответную реакцию требует значительного времени. например, при нормальном сне температура тела и содержание кортикостероидов в плазме начинают повышаться задолго до окончания сна и пробуждение может наступить раньше, чем будет включен свет. Считают, что упорядоченность функций во времени позволяет организму разделять не только в пространстве, но и во времени несовместимые процессы, использовать одни и те же структуры, требующие в разное время различных локальных значений биохимических или физико-химических показателей (например, рН). Примерами высокоскоординированных во времени систем могут быть гипоталамо-гипофизарно-тиреоидная система, гипоталамо-гипофизарно-надпочечниковая система, система поддержания оптимальной концентрации калия в плазме и межклеточном пространстве.
Нарушение временной упорядоченности ритмов биологической системы обозначают термином десинхроноз. Изучение механизмов возникновения десинхроноза имеет большое значение при организации режимов труда и отдыха у представителей различных специальностей, при проведении профилактических мероприятий с целью охраны здоровья. Десинхроноз может возникать как результат фазового рассогласования между ритмами биологической системы и теми периодическими изменениями в окружающей среде, которые для организма выступают как датчики времени (внешнеобусловленный десинхроноз, внешний десинхроноз), либо вследствие нарушения координации между ритмами в самой системе. Внешний десинхроноз можно наблюдать у лиц, совершивших перелет через 4—5 часовых поясов, у космонавтов во время космических полетов, при смене дневного режима работы на ночной. Выраженность десинхроноза зависит от индивидуальных особенностей, возраста, характера датчиков времени. Синхронизация ритмов организма с новыми датчиками времени происходит постепенно с приблизительной скоростью 1—2 ч в сутки и быстрее протекает у лиц моложе 30 лет. При перелете в западном направлении перестройка ритмов протекает в среднем быстрее, чем при перелетах в восточном направлении. Внешний десинхроноз, как правило, ведет к развитию внутреннего. Внутренний десинхроноз (выраженный или компенсированный) можно наблюдать также как следствие стрессовой реакции. Так, например, при воспалении легких, бронхиальной астме, гипертонической болезни, язвенной болезни желудка и ряде других заболеваний максимум экскреции кортикостероидов смещается с утренних часов на вечерние и ночные. Считают, что нарушение временной упорядоченности функций усугубляет течение болезни и является неблагоприятным прогностическим признаком. Существует мнение, что внутренний десинхроноз может, особенно в психиатрии, выступать как причина патологического состояния.
Лечение многих заболеваний должно строиться с учетом Б. р. Хронобиологи предложили, например, лечить расстройства сна следующим образом. Людей, страдающих бессонницей по ночам и с трудом борющихся со сном в дневное время, изолируют в помещении, где надежно отключены все датчики земного времени. В таких условиях ежедневно «передвигают» время отхода ко сну на три часа вперед. Эта хронотерапия продолжается в течение недели до тех пор, пока время отхода ко сну не совпадет со временем отхода ко сну у здоровых людей. При бронхиальной астме хронобиологи предложили проводить лечебные мероприятия в тот момент, когда ряд показателей, характеризующих работу дыхательной системы, находится на самом низком уровне в течение суточного цикла. Это определяется после круглосуточной регистрации ритмов работы органов дыхания. Такая лечебная тактика увеличивает в 3 раза число очень хороших результатов и сводит к минимуму случаи недостаточной эффективности лечения.
Проблема рационального применения фармакологических средств у человека обусловила формирование нового направления — хроно-фармакологии, которая изучает действие лекарственных препаратов как функцию биологического времени, разрабатывает рекомендации о динамических дозах лекарств и их комбинаций, оптимального времени их введения.
Так, например, наибольший диуретический эффект фуросемида возможен при приеме его в 10 ч, максимальное выведение с мочой калия — при приеме в 17 ч, натрия — в 13 ч. Гипогликемический эффект от введения инсулина больше всего выражен в 8—13 ч. Анализ суточного содержания гистамина в организме показал, что наибольшая его концентрация отмечается в 21—24 часа. Это объясняет повышенную чувствительность аллергиков к антибиотикам, гистамину, домашней пыли именно в вечернее время. Поэтому антигистаминные препараты рекомендуется давать пациентам в вечерние часы, чтобы предупредить нежелательные аллергические реакции. При вечерних суставных болях, вызванных ревматоидным артритом, наибольший аналгезирующий эффект дает утренний (8 ч) или полуденный (12 ч) прием индометацина, а при ночных болях этот препарат целесообразнее назначать вечером (19 ч).
Общепринятым стало применение различных гормонов по схемам, разработанным хронобиологами. Так, гормональные препараты рекомендуется назначать в те часы, когда потребность организма в этих веществах максимальна, стимулируя таким образом работу и собственных желез внутренней секреции. Лечение, проводимое по такой схеме, оказывается наиболее эффективным, а дозы гормональных препаратов минимальными. Наибольшая частота гипертонических кризов наблюдается, как правило, в вечерние и ночные часы, а большая часть больных с выраженной ишемической болезнью сердца приспосабливается к физической нагрузке хуже всего в утренние часы, что следует учитывать, назначая лечебно-профилактические мероприятия (например, повышая дозы в критические для обострения заболевания часы).
Учение о Б. р. обосновывает рациональность постоянного распорядка дня, с определенными часами для сна, работы, отдыха. Ритмичным, соответствующим правильному индивидуальному графику должен быть и прием пищи. Так, если принимать пищу общей калорийностью 2000 ккал только по утрам, то наблюдается снижение веса. Если та же пища принимается в вечерние часы, вес увеличивается. Для того чтобы сохранить постоянный вес тела, достигнутый к 20—25 годам, пищу следует принимать 4—5 раз в день в точном соответствии с индивидуальными суточными затратами энергии и в те часы, когда появляется заметное чувство голода.
Строгий распорядок дня предполагает, как правило, и преодоление импульсов ко сну или дремоте в период бодрствования, т. к. самые короткие периоды сна или дремоты у многих людей могут нарушить ночной сон. Вместе с тем это правили не следует распространять на тех, для кого дневной или вечерний отдых — сон необходим и не нарушает ночного сна.
В циркадианном Б. р. меняется и работоспособность человека. Обычно она имеет два подъема: с 10 до 12 ч и с 16 до 18 ч. Ночью работоспособность понижается, особенно в интервале от 1 до 3 часов ночи. У лиц, занятых в ночную смену, определяются различные изменения в функциональном состоянии организма. В одних случаях работа протекает на сниженном уровне вегетативных функций, соответствующем этой фазе циркадианного ритма, в других — уровень вегетативных показателей близок к их уровню днем и, следовательно, происходит обусловленная работой перестройка циркадианного ритма. Второй тип реакции обнаруживается, как правило, при более напряженной работе, сопровождается меньшими признаками утомления и чаще наблюдается у лиц с большим стажем работы в сменном производстве.
При работе в разные смены имеются серьезные трудности в организации полноценного отдыха после работы. Это связано прежде всего с необходимостью отдыхать и спать в другие часы, чем остальные члены семьи, друзья, знакомые. В этом случае желательны изолированное помещение для сна, а также возможность регулярно и своевременно принимать пищу. Причем горячая пища нужна также в рабочие часы (при перерыве во время ночной смены).
Ритмические колебания работоспособности менее стереотипны и чаще изменяются, чем ритм вегетативных функций. Однако частые изменения рабочих смен вызывают невротические расстройства, снижают удовлетворенность трудом и т.п. Около 20% людей вообще не могут приспособиться к сменному графику работы, а у остальных для полной адаптации к преимущественно ночной смене требуется больше года сменного труда. Специально разработанные режимы труда и отдыха помогают сохранить в течение длительного времени высокую работоспособность.
Одна из современных теорий Б. р. особое внимание уделяет так называемым расчетным низкочастотным ритмам: физическому — с периодом 23 дня, эмоциональному — 28 дней и интеллектуальному — 33 дня. По мнению авторов этой теории, ритмы «запускаются» в момент рождения и сохраняются затем с удивительным постоянством в течение всей жизни. Первая половина периода каждого ритма характеризуется нарастанием, а вторая — спадом физической, эмоциональной или интеллектуальной активности. Эта теория, как свидетельствуют ее создатели, позволяет предсказывать возможности организма в тот или иной день на длительный срок вперед. Однако нельзя согласиться ни с одним из постулатов этой гипотезы, в частности — абсолютной неизменностью и одновременным запуском всех ритмов. Установлено, что в процессе индивидуального развития функции организма созревают и угасают с возрастом не одновременно. Реальный вид кривой Б. р. очень далек от идеальной синусоиды, которой характеризуют расчетные ритмы. На фоне полного здоровья даже в зрелом организме Б. р. способны изменяться. Так, ритм биения сердца меняется на протяжении суток в зависимости от уровня обмена веществ, ритм температуры искажается при заболевании, менструальный цикл у здоровых женщин может варьировать в пределах 6 дней и т.п. Кроме того, по данным физиологов, физическая, эмоциональная и интеллектуальная форма активности человека столь тесно связаны, что их искусственное разделение не представляется возможным. Поэтому серьезной научной проверки эта гипотеза не выдержала.
Библиогр.: Биологические ритмы, под ред. Ю. Ашоффа, пер. с англ., т. 1—2, М., 1984; Биологические часы, под ред. С.Э. Шноля, пер. с англ., М., 1964; Проблемы космической биологии, под ред. В.Н. Черниговского, т. 41 — Биологические ритмы, М., 1980.
Биологические ритмы человека
Биологические ритмы в живой природе
Каждую весну распускается зеленая листва, каждую зиму выпадает снег. С восходом солнца растения раскрывают свои цветы, первый луч падает на зеленый лист и запускает процессы фотосинтеза. Перелетные птицы осенью собираются в теплые края, белка запасает спелые орехи, а медведь и еж ищут укрытие поудобнее, чтобы пережить неблагоприятное холодное и голодное зимнее время.
Изучая поведение животных в природе, внимательный наблюдатель замечает, что птицы начинают готовиться к перелету с первыми признаками приближающейся осени. Хозяин таежных лесов медведь начинает искать место для спячки еще до того, как ударят первые морозы и снегопады заметут лесные тропы.
И горе тому животному, которое не успеет до холодов. Без помощи человека оно обречено на гибель, как Серая шейка в одноименной детской сказке. Медведь, поднятый среди зимы из берлоги, получает прозвище медведь-шатун. Злой, голодный, ходит по лесу, нагоняя страх на охотников, но и он обречен на мучительную гибель от голода. Мясом такого погибшего зверя брезгуют даже падальщики.
Можно заметить, что еще до появления первых признаков смены сезона, поведение животных меняется. И это не зря. Таким образом природа позволяет живым организмам заблаговременно подготовиться к грядущим переменам в природе и предупредить стресс, связанный с перестройкой сложных биохимических процессов и физиологических функций во время действия неблагоприятного фактора с помощью биологических ритмов организма.
Определение понятия биоритмы
Биоритмы — сформированная в ходе эволюции модель приспособления, проявляющаяся в виде повторяющихся изменений характера и степени выраженности биохимических и физиологических реакций, характеризующая способность живых существ выживать в периодически изменяющихся условиях среды.
Способность организма изменять процессы жизнедеятельности под влиянием условий внешней среды генетически обусловлена и характерна всем живущим организмам. Она характерна не только отдельным клеткам, но и целым популяциям.
Биологические ритмы организма человека сформировались за миллионы лет эволюции и определяются движением планеты Земля.
Влияние этого ритмического рисунка накладывается на всех обитателей (растения, домашние и дикие животные, многоклеточные и одноклеточные организмы) на нашей удивительной планете. И человек – не исключение. Испокон веков он живет в сложной системе биоритмов, от изменяющихся за несколько секунд молекулярных, происходящих в живой клетке и обеспечивающих процессы энергетического обмена, до длительных годовых, связанных с движением Земли вокруг Солнца.
Хронобиология
Исследование ритмических колебаний биохимических и физиологических процессов в живых организмах в зависимости от суточных, годовых, либо лунных циклов продолжаются со Средневековья до наших дней. Прорывом в исследованиях стали опыты Е.А. Форсгрена, шведского физиолога, который в уникальных опытах на лабораторных кроликах выявил суточные колебания в клетках печени уровня гликогена — сложного полисахарида, участвующего в энергетическом обмене.
Лишь в 1960 году на симпозиуме в Cold Spring Harbor Laboratory, после того, как доклады исследователей, представляющих различные отрасли науки, были заслушаны, выяснилось, что ученые из разных областей физиологии, биологии, генетики, биохимии описывали одни и те же феномены, связанные с изменением активности процессов во времени, и приняли решение выделить хронобиологию как отдельную науку.
Исследование биохимических процессов продолжается. В настоящее время ученые выделяют около 300 различных биохимических и физиологических процессов в организме человека, активность которых изменяется на протяжении времени и регулярно чередуется, имея свои минимумы и максимумы значений.
Классификация биоритмов
Согласно классификации советских ученых-медиков Н.И. Моисеевой и В.Н. Сысуева (1961), в зависимости от периода — промежутка времени между двумя максимальными или минимальными значениями — биологические ритмы делятся на:
Высокочастотные ритмы длятся от миллисекунды до получаса. К этой категории относятся сердечные сокращения, дыхательные движения, волны перистальтики в кишечнике. Медицинская аппаратура позволяет зафиксировать ритмы и получить сведения о функции различных систем человеческого организма. Электроэнцефалография регистрирует периодическую активность головного мозга, электромиография — мышечную активность, электрокардиография — сердечные сокращения, и данные используются не только в научных целях, но и для диагностики патологии.
К среднечастотным относятся биоритмы с продолжительностью от 30 минут до 6 дней. В эту группу входят циркадианные или циркадные (суточные) ритмы: повышение температуры тела к восемнадцати часам и снижение до минимума к полуночи, цикл «сон-бодрствование», о котором подробно рассказано на странице 22 учебника «Биология 10 класс» под редакцией В.И.Сивоглазова. Изменения некоторых показателей можно зафиксировать при суточном исследовании — холтеровском мониторировании ЭКГ или артериального давления. И такие исследования широко применяются в медицине для подбора необходимого лечения.
В группу низкочастотных ритмов относят колебания с периодичностью от 28 часов до десятилетий. В данный раздел входят менструальный цикл у женщин, а также годовые ритмы. Так, зимой по сравнению с летом, снижается в крови содержание сахара, увеличивается количество АТФ и холестерина.
Ранее считали, что как таковых, недельных ритмов у живых организмов нет, а деление на недели пошло от чередований фаз луны еще со времен Древнего Вавилона. И только в последнее время, когда биохимия сделала гигантский шаг вперед, и появилась возможность определить концентрацию биологически активных веществ не только в крови, но и в моче, ученые выявили колебания гормональных показателей, выделяемых надпочечниками, с примерным семидневным циклом.
В ходе астрономических наблюдений установлено, что за время оборота Солнца вокруг своей оси, который составляет двадцать семь суток, регистрируются различные значения магнитного поля между планетами Солнечной системы. Положение Земли изменяется с периодичностью в 6,75 суток. Планета оказывается в разнообразных секторах солнечного магнитного поля, что вызывает изменения планетарного геомагнитного поля, которое влияет на климатические условия, а также жизнедеятельность живых организмов.
В последние десятилетия ритмы современной жизни с ночными клубами, предприятиями, работающими круглосуточно, путешествиями на другую сторону земного шара значительно влияют на биологические ритмы человека. Учитывая влияние социальной жизни на физиологию человека, выделяют:
Физиологические биоритмы — непрекращающаяся работа биохимических процессов в каждой клетке организма, для обеспечения чередования циклов вдоха-выдоха, непрерывного сокращения сердца, для бесперебойной работы системы кровообращения и других систем. Они обеспечивают жизнедеятельность организма независимо от условий среды обитания. Способность физиологических ритмов к изменениям обеспечивает адаптационный резерв человека к существованию в экстремальных условиях от архипелагов Арктики до жаркой пустыни Каракум.
Вращение Луны вокруг нашей голубой планеты, и Земли вокруг Солнца приводит к смене сезонов года в окружающей природе и формированию геофизических биоритмов, которые обеспечивают перестройку физиологических биоритмов под сезонные климатические изменения.
Социальные биоритмы формируются под влиянием условий жизни, принятых в обществе, где человек обитает: сменная работа, чередование труда и пассивного отдыха, активная клубная жизнь у молодежи или приверженность ЗОЖ. Через некоторое время стабильных чередований физических нагрузок, труда и отдыха у человека формируются автоматические колебания, близкие к его обычному циклу труд-отдых. Наличие социальных биоритмов подтверждает высокую способность человека адаптироваться к окружающей его среде.
Подводя итоги, отметим, что к сегодняшнему дню хронобиология достигла определенных успехов и позволила сделать ряд выводов, касающихся живой природы:
Исследования биоритмов не прекращаются, и в 2017 году группа ученых из США получили Нобелевскую премию за открытие молекулярных механизмов, управляющих циркадными ритмами.