Биологические ритмы человека

    Биологические ритмы — фундаментальное свойство органического мира, обеспечивающее его способность к адаптации  и выживанию в циклически меняющихся условиях внешней среды. Биологический ритм — это самоподдерживающийся автономный процесс периодического чередования состояний организма и колебаний интенсивности физиологических процессов и реакций. Благодаря биоритмам обеспечивается внутреннее движение, развитие организма, его устойчивость к воздействию факторов окружающей среды. Это осуществляется за счет ритмичного чередования процессов анаболизма и катаболизма (И.Е. Оранский, 1988). Борьба противоположностей, обуславливающая движение (развитие), лежит в основе адаптационных процессов, обеспечивающих синхронизацию физиологических функций организма с разнообразными изменениями окружающей среды. Исследование биоритмов позволяет оценивать реактивность, функциональное состояние и адаптационные возможности организма (Ф.И. Комаров и соавт., 1989).

    Изучением биоритмов живых систем, их связи  с ритмами, существующими в природе, занимается относительно недавно возникшая наука — хронобиология (биоритмология), составной частью которой является хрономедицина.

    Хрономедицина с помощью использования хронобиологичес-ких  параметров в основном решает задачи, связанные с улучшением диагностики, профилактики и лечения патологических состояний у людей (Ф.И. Комаров и соавт., 1989).

    В нашей стране опубликовано много  работ, посвященных вопросам биоритмологии (Б.С. Алякринский, 1975, 1983; Н.И. Моисеева и др., 1981, 1985; В.М. Дильман, 1981, 1986; М.Т. Туркменов, 1983; Н.Р. Деряпа и др., 1985; СИ. Степанов, 1986; Ф.И. Комаров, 1989). Поскольку в биоритмологическом аспекте здоровье представляет собой оптимальное соотношение взаимосвязанных ритмов физиологических функций организма и их соответствие закономерным колебаниям среды обитания, анализ изменений этих ритмов и их рассогласования помогает глубже понять механизмы возникновения и развития патологических процессов, улучшить раннюю диагностику болезней и определить наиболее целесообразные временные схемы терапевтических мероприятий.

    Существует  несколько классификаций биоритмов, в зависимости от критериев, положенных в их основу.

    По  принадлежности к классу явлений  ритмы подразделяются (Оранский И.Е., 1988):

    I. Ритмы неживой природы.

    II. ритмы живой природы:

    1) ритмы растений;

    2) ритмы животных;

    3) ритмы человека.

    В настоящее время в человеческом организме обнаружено более 500 биоритмов  на различных структурных уровнях  — клеточном, тканевом, органном, организменном (A.M. Воложин, Ю.К.Субботин, 1998).

    Биоритмы  характеризуются широким диапазоном периодов — от миллисекунды до нескольких десятков лет. В связи с этим различают  низко-, средне- и высокочастотные  биоритмы (К.М. Смирнов и соавт., 1980; И.Е. Оранский, 1988; F. Halberg, 1969):

    1. Ритмы высокой частоты — от долей секунды до 30 мин (осцилляции на молекулярном уровне, ритмы электроэнцефалограммы, сокращения сердца, дыхание, перистальтика кишечника).

    2. Ритмы средней частоты — от 30 мин до 6 дней — включают:

    а) ультрадианные (от 30 мин до 20 ч). Сюда относятся колебания главных компонентов мочи и крови с частотой одного цикла около 20 ч, повторение стадий быстрых движений глаз через каждые 90 мин сна, процессы секреции;

    б) циркадианные (околосуточные) (от 20-28 ч). Они синхронизированы с вращением Земли вокруг оси, сменой дня и ночи (ритмы «сон—бодрствование», суточные колебания различных физиологических параметров — температуры тела, АД, частоты клеточных делений и др.). Эти ритмы наиболее устойчивые и сохраняются в течение жизни организма;

    в) инфрадианные (от 28 ч до 6 суток) ритмы наименее изучены (недельный ритм выделения с мочой некоторых гормонов).

    3. Ритмы низкой частоты — от 7 дней и выше:

    а) циркасептидианные (7 дней) (околонедельный);

    б) циркавигинтидианные (21 день);

    в) циркатригинтидианные (30 дней) (лунный);

    г) циркануальные (около 1 года);

    д) макроритмы (обусловленные циклами  солнечной активности с периодами 2 года, 3 года, 5 лет, 8 лет, 11 лет, 22 года, 35 лет);

    е) мегаритмы (свыше 10 лет).

    Низкочастотные  ритмы процессов жизнедеятельности, так же как и суточные (циркадианные), широко представлены в организме и имеют связь с геофизическими и социальными факторами. В основе выделения каждого из биоритмов лежат четко регистрируемые колебания какого-либо функционального показателя. Например, околонедельному биоритму соответствует уровень выделения с мочой некоторых гормонов, околомесячному — овариально-менструальный цикл у женщин, сезонным биоритмам — изменение продолжительности сна, мышечной силы, заболеваемости и др., окологодовым — рост и физическое развитие детей, показатели иммунитета. Мегаритмы проявляются в изменении численности популяций, видов животных, вспышках эпидемий.

    В зависимости от уровней гомеостатических механизмов биоритмы человека можно  подразделить на следующие классы (Н.И. Моисеева, В.М. Сысуев, 1981):

    1. Биоритмы клеточных образований,  клеток, тканей.

    2. Биоритмы органов.

    3. Организменные биоритмы.

    4. Биоритмы популяций.

    Частотные спектры разных уровней биоритмов  в значительной степени перекрываются, однако существует общая тенденция к увеличению длины периодов по мере усложнения биологических систем.

    С точки зрения взаимодействия организма  и среды выделяют два типа колебательных  процессов:

    1. Адаптивные ритмы (экологические), или биоритмы, т. е. колебания с периодами, близкими к основным геофизическим циклам, роль которых заключается в адаптации организма к периодическим изменениям внешней среды;

    2. Физиологические₉ или рабочие, ритмы, т. е. колебания, отражающие деятельность физиологических систем организма (сердцебиение, дыхание и т. д.).

    Период (частота) физиологического ритма может  изменяться в широких пределах в  зависимости от степени функциональной нагрузки. Период экологического ритма, напротив, сравнительно постоянен, закреплен  генетически.

    В биоритме всегда присутствуют две компоненты — экзогенная и эндогенная. Экзогенная компонента биоритма — это воздействие на организм любого внешнего фактора, эндогенная — обусловлена ритмическими процессами внутри организма. Эндогенный ритм непосредственно определяется генетической программой организма, которая реализуется через нервный и гуморальный механизмы.

    Биоритмы  имеют внутреннюю и внешнюю регуляцию.

    Внутренняя  регуляция биоритмов  определяется функционированием так называемых биологических часов. Для объяснения эндогенных механизмов биологических часов предложено несколько гипотез:

    1. «Хронон-гипотеза» была сформулирована К.Д. Ере и Е. Тракко. Согласно этой гипотезе, механизм околосуточных ритмов связан с наследственным аппаратом клетки, в частности с определенными участками дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК).

    2. «Мембранная теория». Согласно данной теории, цикличность наблюдаемых процессов регулируется состоянием липидно-белковых мембран и их проницаемостью для ионов калия, которая периодически изменяется. Мембранные структуры клетки, обладая рецепторными свойствами, контролируют биоритмы, связанные с фотопериодизмом и действием температурных факторов.

    3. «Мультиосцилляторная модель». Считается, что в организме существуют собственные биологические осцилляторы (пейсмекеры) и наблюдаемые периоды ритмов отражают работу биологических «часов». Источником такой активности является энергия метаболизма. Биологических часов в организме много (к настоящему времени у человека обнаружено более 300 ритмически меняющихся с периодом около 24 ч физиологических функций).

    В настоящее время общепризнано, что  циркадианная система организма  строится по мулътиосцилляторному принципу, согласно которому автономные генераторы суточных ритмов объединяются в несколько групп сцепленных осцилляторов, относительно независимых друг от друга, но имеющих иерархическую соподчиненность и синхронизированных по фазе и периоду. Что касается механизма биологических часов, то уже не вызывает сомнения сам факт наличия клеточных пейсмекеров (генераторов ритма), способных генерировать автоколебания с околосуточным периодом (Е.П. Гора, 1999).

    Мультиосцилляторный принцип организации повышает адаптивную пластичность организма, позволяя эффективно приспосабливаться к различным  по временной организации условиям среды.

    Согласно исследованиям Ф.И. Комарова (1989), в организме осцилляторы одного иерархического уровня функционируют параллельно, а разных уровней — последовательно (рис. 34).

    Согласно  современным представлениям, в организме  действуют биологические часы трех уровней (Д.П. Билибин, В.А. Фролов, 2007).

    Первый  уровень связан с деятельностью эпифиза. Современные исследования показывают, что биологические ритмы находятся в строгой иерархической подчиненности основному водителю ритмов, расположенному в супрахиазматизматических ядрах гипоталамуса (СХЯ). Гормоном, доносящим информацию о ритмах, генерируемых СХЯ, до органов и тканей, является ме-латонин (по химической структуре — индол), преимущественно продуцируемый эпифизом из триптофана. Мелатонин также продуцируется сетчаткой, цилиарным телом глаза, органами ЖКТ. Активация регуляторной деятельности эпифиза относительно биоритмов «запускается» сменой дня и ночи (входным «рецептором» являются в том числе и глаза, хотя и не только они).

    Ритм  продукции мелатонина эпифизом носит циркадианный характер и определяется СХЯ, импульсы из которого регулируют активность норадренергических нейронов верхних шейных ганглиев, чьи отростки достигают пинеалоцитов. Мелатонин является мессенджером не только основного эндогенного ритма, генерируемого СХЯ и синхронизирующего все остальные биологические ритмы организма, но также и корректором этого эндогенного ритма относительно ритмов окружающей среды. Следовательно, любые изменения его продукции, выходящие за рамки нормальных физиологических колебаний, способны привести к рассогласованию как собственно биологических ритмов организма между собой (внутренний десинхроноз), так и ритмов организма с ритмами окружающей среды (внешний десинхроноз).

    Второй  уровень биологических часов связан с супраоптической частью гипоталамуса, который с помощью так называемого субкомиссурального тела имеет связи с эпифизом. Через эту связь (а может быть, и гуморальным путем) гипоталамус получает «команды» от эпифиза и регулирует биоритмы далее. В эксперименте было показано, что разрушение супраоптической части гипоталамуса ведет к нарушению биоритмов.

    Третий  уровень биологических часов лежит на уровне клеточных и субклеточных мембран. По-видимому, какие-то участки мембран обладают хронорегуляторным действием. Об этом косвенно свидетельствуют факты о влиянии электрических и магнитных полей на мембраны, а через них и на биоритмы.

    Таким образом, координирующую роль в синхронизации ритмов всех клеток многоклеточного организма играет гипоталамо-гипофизарная система (Д.П. Билибин, В.А. Фролов, 2007).

    Внешняя регуляция биоритмов  связана с вращением Земли вокруг своей оси, движением ее по околосолнечной орбите, с солнечной активностью, изменениями магнитного поля Земли и рядом других геофизических и космических факторов, причем среди экзогенных факторов, выполняющих функцию «датчиков времени», наиболее значимы свет, температура и периодически повторяющиеся социальные факторы (режим труда, отдыха, питания). Атмосферное давление и геомагнитное поле как датчики времени играют меньшую роль. Таким образом, у человека выделяется две группы внешних синхронизаторов — геофизические и социальные (Д.П. Билибин, В.А. Фролов, 2007).

    Ярким примером формирования эндогенных ритмов под влиянием синхронизаторов внешней  среды является влияние на новорожденного ребенка с его эндогенными  ритмами таких синхронизаторов, как звук, свет, пища и т. д., 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 отмечаются на 4-20-й неделе, а креатинина и хлоридов — на 16-22-м месяце после рождения. На 2-3-й неделе происходит начало синхронизации с ритмом дня и ночи на протяжении суток такого показателя, как температура тела, а частота пульса — на 4-20-й неделе жизни ребенка.

    Биоритмы  в той или иной форме присущи всем живым организмам. В основе всякой ритмики лежит периодический волновой процесс. Простейшая кривая, описывающая биоритм, — синусоида.

    Для характеристики волнового процесса используют целый ряд показателей: период, мезор (уровень), амплитуду, фазу (акрофазу, ортофазу), частоту (рис. 35).

    Выделяют  четыре варианта изменений биоритмов.

    Вариант 1 (норма). Индивидуальные диаграммы характеризуются положением мезора в зоне доверительного интервала

    нормы, акрофаза и амплитуда ритма соответствуют  данным здорового человека. Наличие  такого варианта суточного ритма  указывает на сохранность временной  организации физиологического процесса.

    Вариант 2А. Положение акрофазы индивидуальной диаграммы в зоне доверительного интервала нормы. Амплитуда колебании снижена относительно нормы на 30%. Мезор близок к показателям нормы. Этот вариант отражает нарушения в процессах управления временной организации физиологических функций и свидетельствует о режиме перенапряжения.

    Вариант 2Б. Амплитуда колебаний выше нормы на 30%. Этот вариант свидетельствует о наличии активного поиска оптимального функционирования системы.

    Вариант 3. Положение акрофазы биоритма выходит за пределы доверительного интервала нормы. Отмечаются изменения амплитуды ритма в сторону как ее повышения, так и понижения. Эти изменения в показателях ритма указывают на временное рассогласование функций — десинхроноз.

    Вариант 4. Индивидуальные диаграммы имеют вид низкоамплитудных кривых. Амплитуда ритма не превышает 10-15% от нормы — это крайнее проявление десинхроноза.

    В процессе различных воздействий, будь то лечебные или иные воздействия, могут  происходить изменения в основных показателях биоритма. Совокупность этих изменений можно разделить на три качественных показателя (И.Е. Оранский, 1988):

    1. Изменения положительного характера:

    а) возникновение ритма там, где  он раньше отсутствовал;

    б) нормализация количественных показателей  — амплитуды и среднесуточного уровня. Эти изменения расцениваются как проявления синхронизирующего эффекта.

    2. Изменения отрицательного характера: дезорганизация ритма, резкое увеличение или уменьшение амплитуды колебаний и среднесуточного уровня. Эти изменения расцениваются как проявление десинхроноза.

    3. Отсутствие изменений: незначительные сдвиги в любом из показателей биоритма.

    Из  всего многообразия циклических процессов важное значение имеют суточные и сезонные ритмы. Это связано с тем, что суточная и сезонная периодичности присущи всем уровням биологической организации.

    Рассмотрим  вначале влияние на организм суточных ритмов. Наиболее ярким с точки зрения ритмичности феноменом Земли является чередование дня и ночи. Чередование света и темноты сопровождается синхронным изменением не только освещенности, но и температуры окружающей среды, а также гелиомагнитным излучением. Претерпевает изменения и спектровый состав света. Днем солнечный свет имеет максимум энергии в желто-зеленой, а свет неба — в фиолетово-голубой части спектра. В сумерки уменьшается освещенность, а вместе с нею уменьшается процент ультрафиолетовых лучей. Отчетливой изменчивостью отличается суточный ход температуры и влажности, наименьшей ритмичностью — атмосферное давление.

    По  данным Д. Ассмана (1966), понижение атмосферного давления оказывает возбуждающее действие на симпатическую нервную систему, повышает восприимчивость к инфекционным заболеваниям, подавляет настроение и снижает трудоспособность, и, напротив, повышение атмосферного давления вызывает возбуждение парасимпатической нервной системы. Приведенный пример показывает сложность и многогранность влияния природных факторов.

    К настоящему времени у человека обнаружено более трехсот ритмически меняющихся с периодом около 24 ч физиологических функций.

    Впервые Халберг (1959) ввел понятие циркадианных ритмов, т. е. околосуточных. В настоящее  время считается, что в свободно текущем состоянии период циркадианного ритма человека составляет 25,0 ± 0,5 ч и не зависит от того, выполняется ли тяжелая физическая работа или соблюдается постельный режим. Основные суточные ритмы человека:

    1. Умственная и физическая работоспособность. В часы дневного бодрствования человека уменьшается время реакции на зрительный и слуховой раздражители, увеличивается скорость и точность переработки информации. Физический труд также эффективнее днем, чем ночью, так как днем координация движений, лабильность нервно-мышечного аппарата, сила мышц и их выносливость выше.

    2. Дыхание. Суточные ритмы частоты, глубины и минутного объема дыхания у человека имеют максимумы в дневные часы, причем максимумы скорости вдоха и выдоха приходятся на вторую половину дня.

    3. Сердечно-сосудистая система. Четкой суточной периодикой обладают все показатели функции кровообращения. Максимум частоты сердечных сокращений у человека в состоянии покоя приходится на вторую половину дня. Сократительная функция миокарда, ударный и минутный объем кровообращения, мощность сердечных сокращений также выше в дневное время. Диастолическое давление нередко бывает выше ночью и утром. Реактивность кровеносных сосудов к суживающим и расширяющим агентам максимальна в дневное время.

    4. Метаболические процессы. Один из показателей углеводно-липидного обмена — отношение потребляемого кислорода к выделяемому СО₂ — равен единице днем и понижается ночью. Повышенная способность организма к утилизации углеводов в первой половине дня проявляется в увеличении толерантности к нагрузке глюкозой. Максимальная мобилизация липидов отмечается вечером и ночью. Наибольшее содержание триглицеридов и холестерина в сыворотке крови наблюдается днем, а содержание в ней суммарной фракции липопротеидов низкой и очень низкой плотности — вечером.

    Для устойчивых биоритмов белкового  обмена характерно преобладание катаболических процессов в период активности организма  и анаболических - во время покоя. Экскреция мочевины повышается днем. Выведение с мочой воды, натрия, калия, кальция, хлоридов и других неорганических веществ совпадает с периодом наибольшей активности организма.

    Ведущую роль в координации всех этих циклических  процессов играют циркадианные ритмы  активности механизмов нервной  эндокринной регуляции. Практически все ее звенья (высшие отделы ЦНС, вегетативная нервная система, гипоталамическая секреция рилизинг-факторов, секреция гормонов гипофиза, функциональная реактивность периферических желез, емкость транспортной системы крови, метаболизм и т. д.) имеют свои биоритмы и определяют суточные колебания концентрации гормонов, запуская тем самым биоритмы других физиологических показателей. Это относится и к суточным колебаниям тонуса вегетативной нервной системы, тесно связанной со сменой фаз сна и бодрствования. При этом уровень адреналина, норадреналина и продуктов их обмена в моче и катехоламинов в крови выше днем, чем ночью.

    Суточные  ритмы активности гипофиза проявляются  в колебаниях активности тройных  гормонов. Максимум их секреции имеет  место во время ночного сна. В  первой половине ночи возрастает уровень тиреотропного гормона в крови. Колебания концентрации адренокортикотропного гормона характеризуется несколькими подъемами во второй половине ночи. Максимум содержания в крови гормонов, вырабатываемых периферическими эндокринными железами, или совпадает с повышением содержания тройных гормонов, или отстает от него на 2-3 ч.

    Например, концентрация глюкокортикоидов в плазме крови человека достигает максимума  перед пробуждением; в этот же период времени нарастает и содержание в крови андрогенов. Концентрация тиреоидных гормонов максимальна во второй половине ночи, а концентрация альдостерона у человека выше в утренние часы.

    Выраженные  циркадные ритмы имеются также  со стороны факторов иммунитета, в  том числе фагоцитоза, содержания в крови Т- и В-лимфоцитов, активности комплемента.

    Суточные  колебания различных функций  организма образуют единый ансамбль, в котором прослеживается строго упорядоченная последовательность в активизации поведенческих, физиологических  и метаболических процессов. В основе временной координации ритмов лежит принцип, согласно которому колебания уровня функционирования различных систем организма, как правило, бывают синхронизированными по фазе с ритмами функциональных возможностей этих систем.

    Условно суточный цикл можно разделить на три фазы, характеризующиеся преобладанием определенных эндокринных и метаболических процессов (Н.Р. Деряпа и др., 1985).

    I фаза Восстановления, которая охватывает у человека первую половину сна. В эту фазу отмечается повышение секреции соматотропного гормона (СТГ), пролактина, тиреотропного гормона (ТТГ), лютеинизирующего гормона (ЛГ), т. е. гормонов с преимущественно анаболическим действием. Одновременно увеличивается митотическая активность клеток, которым свойственно непрерывное самообновление. Преобладание парасимпатических влияний в конце активного периода способствует накоплению гликогена в печени, который расходуется во время сна на биоэнергетические потребности организма при отсутствии внешних поступлений биоэнергетических субстратов. На электроэнцефалограмме (ЭЭГ) в этот период преобладают стадии медленно-волнового сна.

    Наряду  со структурно-функциональным восстановлением  первая половина сна играет важную роль в процессах долговременного  запоминания информации, накопленной  в активный период. Предполагают, что повышенная секреция СТГ во время медленно-волнового сна активизирует синтез белков в мозге и способствует формированию долговременной памяти.

    II фаза Подготовки к активной деятельности протекает во второй половине сна и в начале периода бодрствования. Этот период характеризуется увеличением доли парадоксальных стадий сна, которые играют важную роль в творческой переработке и упорядочивании накопленной информации. Синхронно с наступлением парадоксального сна увеличивается секреция АКТГ и кор-тикостероидов. Активация гипоталамо-гипофизарной системы реципрокно подавляет секрецию СТГ, ЛГ и ТТГ. Увеличение уровня кортикостероидов снижает митотическую активность клеток. В отличие от пептидных гормонов, у стероидных гормонов многие метаболические эффекты реализуются после значительного латентного периода. Поэтому метаболические изменения, вызванные повышением уровня стероидных гормонов, наблюдаются только через 4-6 ч после пика концентрации глюкокортикоидов в крови.

    III фаза Активности по нейрофизиологическим критериям характеризуется высоким уровнем бодрствования, что выражается в преобладании высокочастотных ритмов ЭЭГ, повышенной нервной, моторной и вегетативной реактивностью организма на внешние воздействия. В этот период характерно усиление функциональной активности симпатико-адреналовой системы. Гормоны и нейромедиаторы этой системы играют важную роль в стимуляции сердечной деятельности, мобилизации биоэнергетических субстратов в формировании эмоциональных реакций организма и улучшении процессов обучения. Адреналин и норадреналин существенно подавляют митотическую активность клеток.

    Биологические ритмы, как и любое свойство организма, обладают индивидуальными особенностями. Разнообразие кривых суточного ритма  определяется, с одной стороны, внешними условиями, с другой — внутренними свойствами организма: состоянием здоровья, возрастом, конституциональными особенностями.

    В приложении к человеку широкое распространение  получила биоритмологическая классификация, основанная на индивидуальных различиях по фазам максимальной умственной и физической работоспособности.

    Люди, относящиеся к  утреннему типу («жаворонки»), предпочитают работать в первой половине дня, их суточные ритмы, прежде всего температура тела, имеют максимумы, смещенные на более ранние часы относительно среднестатистических значений. «Жаворонки» быстро засыпают и просыпаются примерно в одни и те же утренние часы независимо от времени отхода ко сну. При позднем засыпании у них значительно сокращается продолжительность сна, а по субъективным оценкам это приводит к ухудшению функционального состояния организма.

    Люди, относящиеся к  вечернему типу («совы»), наоборот, более работоспособны во второй половине дня и даже ночью. Максимум температурного режима у них смещен на более поздние часы. «Совы» засыпают более длительное время, но продолжительность сна у них всегда остается постоянной. Поэтому независимо от времени отхода ко сну они чувствуют себя хорошо отдохнувшими и сохраняют высокую работоспособность.

    Немецкий  исследователь Хамп в группе из 400 обследованных выявил у 52% преобладание того или иного типа «деловой активности»: из них 35% он отнес к «вечерним» типам и 17% — к «утренним». Наибольший процент лиц «утреннего» типа (28%) он выявил среди служащих; среди работников умственного труда преобладали лица «вечернего» типа, тогда как среди рабочих, занятых физическим трудом, почти 50% составили «аритмики».