Биологические ритмы. 5

Биологические ритмы

Биоритмологический подход к феномену времени. основные проблемы современной биоритмологии

    Биоритмологический подход к феномену времени как к биологическому параметру и изучение закономерностей временной организации живых систем открывают новые возможности для регуляции и управления процессами, протекающими в организме.

    Одна  из центральных проблем современной  биоритмологии — проблема синхронизации и десинхронизации биоритмов. Десинхронизация биологических ритмов, наблюдаемая при адаптивных и патологических процессах, позволила установить, что исследование биоритмов является важным методическим приемом в решении вопросов физиологии труда, выявлении патологического процесса, адаптации человека к измененным геофизическим и социальным синхронизаторам, подбора космонавтов.

    Биологические ритмы — колебания смены и  интенсивности процессов и физиологических  реакций. В их основе лежат изменения  метаболизма биологических систем, обусловленные влиянием внешних  и внутренних факторов. Факторы, которые  влияют на ритмичность процессов, происходящих в живом организме, получили определение  «синхронизаторы», или «датчики времени».

    К внешним факторам относятся:

    - изменение освещенности (фотопериодизм), температуры (термопериодизм);

    - магнитного поля;

    - интенсивности космических излучений;

    - приливы и отливы;

    - сезонные и солнечно-лунные влияния;

    - социальные влияния, характерные  для человека.

    К внутренним факторам относятся нейрогуморальные процессы, протекающие в определенном, наследственно закрепленном темпе  и ритме.

    Ритмы, независимые от внешних синхронизаторов, называются эндогенными. Ритмы, формирующиеся  под влиянием внешних синхронизаторов, т. е. факторов внешней среды, идентифицированы как экзогенные. Для большинства  биоритмов характерна эндогенность генерирования, малая изменчивость установившейся длительности циклов на протяжении онтогенеза.

    Ритмы формируют внешние синхронизаторы. Ярким примером формирования эндогенных ритмов под влиянием синхронизаторов  внешней среды является влияние  на новорожденного ребенка с его  эндогенными ритмами таких синхронизаторов  как свет, звук, пища и др., а по мере развития ребенка усиливается  роль социальных факторов. Сравнительно быстро у ребенка формируется суточный, 24-часовой ритм физиологических процессов.

    Известный хронопедиатр Т. Хельбрюгге установил, что первые признаки суточной периодики выделения с мочой натрия и калия отмечается на 4 – 20 неделе, а креатинина и хлоридов на 16 – 22 месяце после рождения. На 2 – 3 неделе происходит начало синхронизации с ритмом дня и ночи на протяжении суток таких показателей как температура тела, а на 4 – 20 неделе — частоты пульса. В первые 2 недели жизни экскреция с мочой котизола и кортикостерона имеет незначительные суточные колебания (максимальная экскреция в 16 – 20 часов, минимальная — поздним вечером и ночью), что характерно для детей старшего возраста и взрослых. Таким образом, становление суточного ритма экскреции кортикостероидов происходит уже на 2 – 3 неделе жизни ребенка.

Определение понятия биологический  ритм. основные параметры. классификация и эволюционные аспекты формирования современных биоритмов

    Биологические ритмы — изменения, периодичность  которых сохраняется при изоляции от внешних источников отсчета времени  в течение двух циклов (периодов) или более. При такой изоляции биоритмы могут переходить на собственную  частоту, ранее индуцированную извне, могут изменять фазу собственного ритма  по фазе при навязывании внешнего ритма.

    Биоритмы  являются особенностью биологической  временной структуры, частным случаем  более широкой зависимости жизненных  процессов от времени. Биоритмы можно  определить как статистически достоверные  изменения различных показателей  физиологических процессов волнообразной  формы. Периодическим колебаниям в  организме человека подвергается большинство  физиологических процессов. В регуляции  суточной периодики функций принимает  участие гипоталамус. Влияние фотопериодизма на ритмичность в работе эндокринной  системы в целом и каждой железы в отдельности опосредуется не только через гипоталамус, в частности  через СХЯ, но и через эпифиз. Гипоталамус  посредством рилизинг-гормонов регулирует тропные функции аденогипофиза, продукция которых подвержена суточным ритмам.

    В соответствии с циркадными ритмами  центрального гипоталамо- гипофизарного звена изменяется и секреторная активность периферических эндокринных желез.

    Основными параметрами биоритмов являются такие показатели: Период — время  между двумя одноименными точками  в волнообразно изменяющемся процессе. Акрофаза — точка времени в периоде, когда отмечается максимальное значение исследуемого параметра. Мезор — уровень среднего значения показателей изучаемого процесса. Амплитуда — величина отклонения исследуемого показателя в обе стороны от средней.

    Фаза  колебания характеризует состояние  колебательного процесса в момент времени; измеряется в долях периода, а  в случае синусоидальных колебаний  — в угловых и дуговых единицах.

    Классификация ритмов базируется на строгих определениях, которые зависят от выбранных  критериев.

    Ю. Ашофф (1984 г.) подразделяет ритмы:

    - по их собственным характеристикам,  таким как период;

    - по их биологической системе,  например популяция;

    - по роду процесса, порождающего  ритм;

    - по функции, которую выполняет  ритм.

    Диапазон  периодов биоритмов широкий: от миллисекунд  до нескольких лет. Их можно наблюдать  в отдельных клетках, в целых  организмах или популяциях. Для большинства  ритмов, которые можно наблюдать  в ЦНС или системах кровообращения и дыхания, характерна большая индивидуальная изменчивость. Другие эндогенные ритмы, например овариальный цикл, проявляют  малую индивидуальную, но значительную межвидовую изменчивость.

    Существуют  также четыре циркаритма, периоды которых в естественных условиях не меняются, т. е. они синхронизированы с такими циклами внешней среды как приливы, день и ночь, фазы Луны и время года. С ними связаны приливные, суточные, лунные и сезонные ритмы биологических систем. Каждый из указанных ритмов может поддерживаться в изоляции от соответствующего внешнего цикла. В этих условиях ритм протекает «свободно», со своим собственным, естественным периодом.

    Классификация биологических ритмов по Халбергу наиболее распространена — классификация по частотам колебаний, т. е. по величине, обратной длине периодов ритмов (см. таблица 1).

    Классификация биоритмов Н. И. Моисеевой и В. Н. Сысуева (1961) выделяет пять основных классов:

    Ритмы высокой частоты: от доли секунды  до 30 мин. Ритмы протекают на молекулярном уровне, проявляются на ЭЭГ, ЭКГ, регистрируются при дыхании, перистальтике кишечника  и др.

    Ритмы средней частоты: от 30 мин до 28 ч, включая ультрадианные и циркадные, продолжительностью до 20 ч и 20 – 23 ч, соответственно.

    Мезоритмы: инфрадианные и циркасептанные — около 7 суток, продолжительностью 28 ч и 6 дней, соответственно.

    Макроритмы с периодом от 20 дней до 1 года.

    Метаритмы с периодом 10 лет и более.

    Многие  авторы выделяют также ритмы по уровню организации биосистем: клеточные, органные, организменные, популяционные. По форме условно выделяют следующие  виды физиологических колебаний: импульсные, синусоидальные, релаксационные, смешанные.

    Ритмы с периодом в несколько лет  и десятилетий связывают с  изменениями на Луне, Солнце, в Галактике  и др. Известно более 100 биоритмов  с периодом от долей секунд до сотен  лет.

    Биологические ритмы, совпадающие по кратности  с геофизические ритмами, называются адаптивными (экологическими). К ним  относят суточные, приливные, лунные и сезонные ритмы. В биологии адаптивные ритмы рассматриваются с позиций  общей адаптации организмов к  среде обитания, а в физиологии — с точки зрения выявления  внутренних механизмов такой адаптации  и изучения динамики функционального  состояния организмов на протяжении длительного периода времени.

    В течение многих миллионов лет  эволюции «шлифовалась» временная  организация биосистем. Постоянно  адаптируясь к меняющимся условиям и воздействиям факторов окружающей среды, вместе с живой материей, синхронно  с её усложняющимся развитием, совершеннее  и разнообразнее становились  биоритмы. Уместно предположить, что  эволюция животного мира «шла» через  совершенствование биоритмов, выполнявших  ведущую роль факторов адаптации  к изменяющимся условиям внешней  среды. Суточная периодичность времени, смена дня и ночи, индуцировали и закрепили суточные ритмы многочисленных процессов в организме, а смена  времени года сформировала сезонные ритмы.

    Основное  диалектическое противоречие биоритмов  состоит в том, что, будучи универсальной  формой адаптации, через непрерывные  колебательные процессы они обеспечивают развитие защитно-адаптационных реакций  организма, символизируя саму жизнь.

    Ритм  — яркая иллюстрация диалектического  характера движения. Н. Я. Пери (1925) отмечал, что «всякий периодический или  волнообразный процесс есть, в  сущности, прогрессивный процесс, в  каждом периодическом процессе нечто  достигается... Каждый последующий период или следующая волна не есть полное повторение предыдущих, а наслаиваются на эти предыдущие как их следующая  и новая ступени».

    В сфере живой материи реальные ритмы никогда не имеют строгого однообразия. Периоды между аналогичными состояниями равны лишь приблизительно, они колеблются около величины, в  среднем довольно постоянной. Эта  величина — длительность периода  — важнейшая характеристика ритма. Кривая ритма любой живой системы  представляет собой условное изображение  непрерывного движения, и каждая точка  на этой кривой есть условное изображение  тех состояний, через которые  она проходит, никогда не задерживаясь. Каждая точка на кривой ритма, т. е. фактически мгновенное состояние, через которое  проходит некоторая функция, называется «фазой». В биоритмологии особое значение придается так называемым акрофазам, т. е. тем моментам, когда регистрируемый процесс достигает крайних значений: максимума и минимума.

    Понятие «фаза» часто используется как обозначение  точки отсчета при анализе  временной последовательности событий. В качестве таких точек отсчета  принимают начало сна или момент пробуждения, начало работы и др. При  смещении этих точек во времени говорят  о сдвиге фазы. Так, сдвиги фазы характерны при переходе в другой временной (новый часовой) пояс или для сменного режима работы.

    Очень важной характеристикой является амплитуда  ритмического процесса. К числу категорий  биоритмов относят и зону «блуждания»  фазы, точнее акрофазы. Если в течение, например, ряда суточных циклов отмечать на шкале времени положение акрофазы (максимума или минимума) ритма какой-либо функции, то можно заметить, что это положение варьируется в некотором диапазоне, который и называется зоной блуждания фазы (акрофазы).

    Ритм  — это универсальная особенность  самодвижения материи, результат борьбы противоположностей, которые являются источником самодвижения, характеризующегося непрерывной сменой доминирования  каждой из двух противоборствующих сторон. Так достигается качественная устойчивость материальных объектов. Таким образом, ритм внутренне присущ движению. Физиологические  ритмы как основной параметр существования  живых организмов

    Физиологические ритмы — циклические колебания  в различных системах организма. Они составляют основу жизни. Одни ритмы  поддерживаются в течение всей жизни, и даже кратковременное их прерывание приводит к смерти; другие появляются в определенные периоды жизни  индивидуума, причем часть из них  находится под контролем сознания, а часть протекает независимо от него. Ритмические процессы взаимодействуют  друг с другом и с внешней средой.

    Изменение ритмов, выходящее за пределы нормы, либо появление их там, где они  раньше не обнаруживались, связано  с болезнью.

    Физиологические ритмы являются одной из основных форм проявления жизнедеятельности, они  наблюдаются у всех живых организмов и на всех уровнях организации  живой материи — от субклеточных структур до целостного организма. Как  правило, они не являются строго периодическими колебаниями: в определенных пределах меняется их период, амплитуда, форма, уровень. Примером их могут служить  записи некоторых физиологических  ритмов у человека: электрокардиограмма, сфигмограмма сонной артерии, сейсмокардиограмма, пневмограмма, электроэнцефалограмма, суточная периодика частоты дыхания, суточная периодика экскреции калия с мочой.

Адаптивные  физиологические  ритмы: циркадные  и сезонные

    Наиболее  близки к периодическим колебаниям физиологические ритмы, которые  возникают при усвоении организмом ритмичных внешних сигналов (например, световых мельканий), различные адаптивные ритмы.

    Физиологические ритмы характеризуются широким  спектром частот; их период варьируется  от десятитысячных долей секунды  до нескольких лет. Часто один и тот  же показатель одновременно участвует  в нескольких видах колебательных  изменений (например, пульсовые, дыхательные  и суточные изменения артериального  давления, волны различной частоты  на ЭЭГ). Характерные для одной  системы ритмы могут передаваться другой (Например, изменения частоты  сердечных сокращений в ритме  дыхания). Физиологические ритмы  могут быть замаскированы апериодическими  колебаниями исследуемого показателя (шумами) и другими ритмическими колебаниями, форма их часто бывает сложной. Поэтому разработаны специальные  методы анализа, позволяющие выявлять и изучать скрытую периодичность  физиологических процессов (гармонический  анализ, автокорреляционный анализ, скользящее суммирование и др.).

    Большинство физиологических ритмов связано  с чередованием различных функциональных состояний соответствующих систем (например, сокращение и расслабление мускулатуры, сон и бодрствование). Поэтому в различные фазы колебательного процесса отмечается разная реакция  на внешние воздействия: разное направление  смещения фазы суточного цикла при  действии датчика времени в различные  его моменты, отсутствие реакции  на раздражение в рефракторный период и т. п.

    Адаптивные  физиологические ритмы выработались в процессе эволюции как форма  приспособления организмов к циклически меняющимся условиям среды. Наиболее изучены  околосуточные (циркадные) ритмы, которые  отражают периодичность геофизических  факторов, обусловленную вращением  Земли вокруг своей оси. В течение  суток закономерно изменяется, прежде всего, естественное освещение. Суточным колебаниям подвержены цикл день –  ночь, температура и влажность  воздуха, напряженность электрического и магнитного поля Земли, потоки разнообразных  космических факторов, падающих на Землю в конкретный временной  цикл. Под влиянием этих внешних  факторов совершалась эволюция всех форм жизни на Земле, колебания их в настоящее время, как и миллионы лет назад, играют жизненно важную роль для всех без исключения обитателей Земли. Например, для дневных животных восход Солнца — сигнал для активной деятельности: добывания пищи, строительства  жилья, выращивания потомства, а  с наступлением темноты активизируются животные, ведущие ночной образ жизни. И все животные «подстраиваются» к этому суточному ритму. А  кто не сможет «вписаться» в этот режим, заданный природой, погибают. Для  выживания любой организм должен соизмерить свой ритм с внешними ритмами. Адаптация конкретного организма  или видовая адаптация к внешним  условиям в широком биологическом  смысле — это синхронизация жизненных  процессов (ритмов) организма или  целой популяции с внешними ритмами, таким образом, циркадная периодичность  жизненных функций является врожденным свойством.

    Спонтанные  циркадные ритмы обнаружены едва ли не у каждого вида живых существ. Возможное исключение составляют обитатели  океанских глубин и подземных  пещер, а также прокариоты (бактерии и сине-зеленые водоросли, клетки которых не имеют оформленного ядра и митохондрий).

    Циркадные колебания обычно наблюдаются у  более организованных одноклеточных  организмов и в изолированных  тканях многоклеточных организмов, тем  не менее, и у позвоночных, и у  беспозвоночных животных часть нервной  системы обычно играет роль циркадного ритмоводителя для всего организма. Мишель Менакер с сотрудниками показал, что у некоторых птиц эту функцию выполняет эпифиз, ритмично выделяющий в мозге гормон мелатонин. Деятельность эпифиза регулируется светом, проникающим сквозь теменную часть черепа. У воробья даже удается сдвинуть фазу циркадного ритма, пересадив ему эпифиз птицы, живущей в иной временной зоне.

    У грызунов эпифиз выделяет мелатонин  тоже ритмично, но под контролем  двух скоплений нейросекреторных клеток — супрахиазменных ядер, расположенных слева и справа в гипоталамусе, над перекрестием зрительного нерва. Информация о свете и темноте идет от глаз. Ежедневные порции мелатонина синхронизируют циркадные колебания. У обезьян подобную роль играют супрахиазменнне ядра. У людей с травмами в этой области гипоталамуса наблюдается расстройство ритма, что позволяет предполагать сходную роль супрахиазменных ядер и у человека. Фазу ритмов этих ядер можно сдвинуть светом через зрение, электрическим раздражителем, инъекцией в мозг аналога нейромедиаторов, вызывающих нормальные разряды нейронов, а также мелатонином. Секреция эпифизом мелатонина стимулируется психомиметиками (ЛСД, мескалин, кокаин) и подавляется препаратами, используемыми для лечения психозов.

    Недавно выяснилось, что антидепрессант бензодиазепин подстраивает фазу циркадных часов у грызунов, действуя на нейромедиаторы в супрахиазменных ядрах гипоталамуса. Это указывает на некую связь между психическими заболеваниями и расстройствами циркадных ритмов, особенно между депрессией и нарушением сна. Человеку для подавления секреции мелатонина требуется гораздо больше света, чем другим млекопитающим. Если бы циркадные ритмы человека реагировали на тусклое освещение, они должны были бы быть в постоянном разладе и люди, помимо других проблем, постоянно испытывали бы дополнительный стресс.

    Для организма человека характерно повышение  в дневные и снижение в ночные часы физиологических функций, обеспечивающих его физическую активность (частоты  сердечных сокращений, минутного  объема крови, артериального давления, температуры тела, потребления кислорода, содержания сахара в крови, физической и умственной работоспособности  и др.). В обычных условиях наблюдаются  определенные соотношения между  фазами отдельных околосуточных  ритмов. Поддержание постоянства  этих соотношений обеспечивает согласование функций организма во времени, обозначаемое как внутреннее согласование. Помимо этого, под действием меняющихся с суточной периодичностью факторов среды (синхронизаторов, или датчиков времени) происходит внешнее согласование циркадных ритмов. Различают первичные (имеющие основное значение) и вторичные (менее значимые) синхронизаторы. У  животных и растений первичным синхронизатором  служит, как правило, солнечный свет, у человека им становятся также социальные факторы.

    Динамика  околосуточных физиологических  ритмов у человека и высших животных обусловлена не только врожденными  механизмами, но и выработанным в  течение жизни суточным стереотипом  деятельности. Имеющиеся данные о  возможности рассогласования по частоте отдельных циркадных  ритмов дают возможность предположить существование целого ряда относительно независимых осцилляторов, каждый из которых регулирует ритм определенной, широко разветвленной функциональной системы. В многоклеточных организмах центральные регуляторы не возбуждают колебаний в периферических тканях, а только синхронизируют присущие каждой клетке организма циркадные ритмы  по частоте и фазе. Регуляция физиологических  ритмов у высших животных и человека осуществляется в основном гипоталамо-гипофизарной системой.

    Циркадный механизм не универсален. Он различается  в зависимости от биологического вида или даже от типа клеток у одного организма. Полагают, что циркадный  механизм замыкается именно на уровне клетки в отличие, например, от менструального цикла, включающего нервные и  эндокринные взаимодействия многих тканей. Клеточные механизмы можно  изучать методами биохимии и генной инженерии. Существует множество биохимических  способов воздействия на работу циркадных  часов. Сначала использовались преимущественно  световые импульсы. Так, для дрозофилы  постоянного освещения — даже на уровне света неполной Луны —  достаточно, чтобы остановить ход  часов. При этом свет действует опосредованно, а не прямо на молекулы колебательного механизма.

    У большинства циркадных ритмов период почти совсем не зависит от уровня температуры, если только она остается в физиологически допустимых пределах. Более того, циркадные часы в отличие  от подлинных независимых (по температуре) систем не защищены от перепадов температуры: малейшее изменение последней способно сдвинуть их фазу. Помимо света и перепадов температуры на период влияют многие химические вещества, изменяющие проницаемость мембран и нарушающие синтез белка. Их кратковременное введение приводит к сдвигу фазы. Однако затрагиваемые при этом процессы многочисленны и многообразны, и не ясно, чем может быть опосредовано их влияние на ход часов. Вероятно, ни сам АТФ, ни процесс его синтеза и распада не являются деталями механизма часов. То же можно сказать и о синтезе белков.

    В другую очень важную группу биологических  ритмов, имеющих огромное значение для высших и низших организмов, входят сезонные (околосезонные), годичные ритмы, обусловленные вращением Земли вокруг Солнца. Сезонные изменения растительного покрова Земли, миграция птиц, зимняя спячка ряда видов животных — это примеры ритмов с годичным периодом. Сезонные колебания жизненных функций характерны и для человека. Так, в регионах с сезонными контрастами климата интенсивность обмена веществ выше зимой, чем летом. Холод является адекватным стимулятором функции щитовидной железы. Артериальное давление, количество эритроцитов, гемоглобина обычно ниже в жаркое время года. Весной и летом у большинства людей работоспособность выше, чем зимой. Пик выдающихся спортивных достижений приходится на весенне-летний и ранний осенний периоды. Хорошо известно волнообразное течение многих заболеваний, при котором периоды обострения сменяются длительными ремиссиями: так, туберкулез чаще обостряется весной, а язвенная болезнь желудка и двенадцатиперстной кишки — весной и осенью. В осенне-зимний и весенний периоды выявляют наибольшее число первичных больных инсулинозависимых сахарным диабетом.

    Сезонные  колебания физиологических показателей  у многих теплокровных в определенной мере повторяют суточные: в зимний период отмечается понижение обмена и двигательной активности, в весенне-летний — активизация физиологических  процессов.

Концепция трех ритмов: современный  взгляд

    Известный терапевт М. Н. Кончаловокий еще в 1935 г. писал: «Если пристальнее всмотреться в эволюцию и течение болезней, то очень часто можно заметить волнообразное течение, т. е. приступы, пароксизмы, кризы, которые сменяются относительным покоем, когда видимые признаки уходят, и больной чувствует себя относительно хорошо и нередко даже обращается к труду... Врачи, подобно морякам, которые знают о периодически наступающих бурях при равноденствиях, должны знать, что болезни имеют волнообразное течение, что окончание приступа и криза не есть окончание болезни, что ремиссия — это временная передышка, а не выздоровление». Как точно, образно и глубоко звучит эта фраза и для современной медицины! Хорошо известна периодичность эпидемий, и глубоко изучены истоки и генезис этой ритмичности.

    Австрийский психолог Герман Свобода, немецкий врач Вильгельм Фисс и австрийский инженер Альфред Тельчер в конце XIX – начале XX века создали известную концепцию о трех ритмах, согласно которой человеку присущи особые ритмы: 23-суточный (физический), 28-суточный (эмоциональный) и 33-суточный (интеллектуальный). Отношение к данной концепции довольно неоднозначное.

    Суть  концепции заключается в следующем: Все три ритма возникают одновременно в момент рождения или же в момент самого зачатия — образования  зиготы. Все три ритма имеют  строго синусоидальную форму, не изменяющуюся на протяжении всей жизни человека, и, следовательно, неизменную частоту, т. е. длительность периода.

    Положительная часть каждой синусоиды (полуволна, расположенная выше так называемой нулевой линии, горизонтали, проведенной  по середине между максимумами и  минимумами) соответствует периодам подъема физической, эмоциональной  и умственной активности, а отрицательная  её часть (полуволна, расположенная  ниже указанной горизонтали) характеризуется  периодом упадка, снижения этих видов  активности. В дни подъема физических сил спортсмены достигают максимальных результатов, в дни спада результаты минимальные. Аналогичное волнообразное  течение претерпевает эмоциональный  и интеллектуальный потенциал человека. В положительной полуволне эмоционального ритма господствуют оптимистические  настроения, чувство уверенности  в себе, мир представляется прекрасным; в отрицательной полуволне эмоциональная  жизнь смещается в минорную фазу.