РИТМЫ РАБОТОСПОСОБНОСТИ

Лекция№10

 

АДАПТИВНЫЕ БИОЛОГИЧЕСКИЕ РИТМЫ ОРГАНИЗМОВ. ХРОНОБИОЛОГИЯ, ХРОНОМЕДИЦИНА.

РИТМЫ РАБОТОСПОСОБНОСТИ

(2 часа)

План:

1. Внутренние и внешние ритмы организмов.

2. Работы А.Л. Чижевского, связан­ные с изучением ритмов солнечной активности.

3. Типы биоритмов: суточные, го­дичные, лунный месяц, приливно-отливные.

4. О хронобиологии и хрономедицине.

5. О ритмах работоспособности.

 

Одно из основных свойств живой природы - цикличность большинства происходящих в ней процессов. Вся жизнь на Земле, от клетки до биосферы, под­чинена определенным ритмам. Рассматривая различные виды адаптации, которые возникли у живых организмов в определенной среде обитания, нельзя не заметить их приспособленность к пространственно-временным изменениям в живой приро­де. Ежегодно мы наблюдаем осенний листопад, зимнюю спячку некоторых живот­ных, весеннее распускание почек, и, наконец, летнее созревание плодов или вылет птенцов из гнезда. Эти процессы происходят в строгом порядке, и один цикл сме­няет другой в определенной последовательности. Петухи будят нас по утрам, а со­вы и летучие мыши охотятся ночью, цветы одуванчика раскрываются утром и за­крываются вечером. Многие органы и их системы высших животных и человека работают "как часы", т.е. в определенном ритме, заданном однажды и неизменном в течение всей жизни организма.

Природные ритмы любого организма можно разделить на внутренние (связанные с его собственной жизнедеятельностью) и внешние (циклические из­менения в окружающей среде).

Внутренние ритмы — это, прежде всего физиологические ритмы организма. Ни один физиологический процесс не совершается непрерывно.

Синтез ДНК и РНК в клетке происходит ритмично, он связан с клеточным циклом (все клетки в процессе деления периодически проходят отдельные фазы: G- и S — фазы митоза). Таким образом, обновление ДНК и РНК в клетке ритмич­но. Сборка белков - также строго ритмичный процесс, который можно сравнить с работой конвейера.

Сокращение мышц, биение сердца, дыхание, работа желез внутренней сек­реции и т.д. — все это примеры ритмичных процессов организма. При этом каждая система органов имеет свой собственный период повторяемости, изменить кото­рый действием факторов внешней среды можно лишь в очень узких пределах. Та­кую ритмику, не зависящую от внешних условий, называют эндоген­ной. Ритмически осуществляя свои физиологические функции, организм как бы отсчитывает время, и наступление каждой следующей фазы определяется временем. В этих процессах время выступает как важнейший экологический фактор.

Внешние ритмы имеют геофизическую природу, так как связаны с вращени­ем Земли относительно Солнца и Луны относительно Земли. Под влиянием этого вращения множество экологических факторов на нашей планете, особенно свето­вой режим, температура, давление, электромагнитное поле атмосферы, океаниче­ские приливы и отливы закономерно изменяются.

Изучению ритмов солнечной активности и их влиянию на человеческое об­щество посвятил свои труды ученый, "Коперник XX века" - Александр Леонидо­вич Чижевский, столетие которого отмечалось 7 февраля 1997 года. Он был всесторонне образованным человеком — закончил археологический институт, учился на физико-математическом и медицинском факультетах МГУ, известен его поэтиче­ский дар. Соратник и друг К.Э. Циолковского, А.Л. Чижевский способствовал продвижению и популяризации его идей.

А.Л.Чижевский связал историю Вселенной с образованием человечества. В его научных исследованиях тесно переплелись общая биология, физиология, меди­цина, геофизика, метеорология, астрономия, история и социология. Им было сде­лано два открытия, положивших начало принципиально новым направлениям в науке и технике.

Первое — открытие биологического действия униполярных ионов воздуха.

А.Л.Чижевский установил, что дефицит живого электричества ведет к патологии в любых биосистемах, их деградации и гибели. Аэроионы — необходимый фактор благополучного существования биологических существ. Эти полезные легкие отри­цательные ионы образуются на рассвете, при ярком солнце. И, напротив, в городах и закрытых помещениях накапливаются тяжелые положительные ионы.

Чижевский изобрел технический способ "оживления" воздуха закрытых по­мещений. Сейчас продается "люстра Чижевского", позволяющая оздоравливать помещения.

Но самое выдающееся второе его достижение - открытие влияния космиче­ских факторов на процессы, происходящие в географической оболочке Земли.

Он убе­дительно доказал, что 11-летний цикл солнечной активности непосредственно от­ражается на живых обитателях Земли. Это проявляется в 11-летних периодах вспышек массовых заболеваний людей, животных и растений, а также обострении различных стихийных процессов в различных сферах жизни, как биологической, так и социальной. Он собрал огромное число статистических данных и получил связную картину зависимости эпидемий, эпизоотии, сердечно-сосудистых катаст­роф и нервно-психических кризов в солнечно-земном мире. Более того, вспышки революционной активности масс, оказывается, также зависят от вспышек на солн­це и укладываются в 11-летний цикл. Сейчас мы знаем, что в годы активного солнца увеличивается количество аварийных ситуаций (ДТП), количество присту­пов у больных шизофренией, наблюдаются вспышки эпидемий гриппа и т.д. А.Л.Чижевский писал: "Я пришел к мысли о том, что в данном случае мы имеем обычный процесс превращения энергии. Усиленный приток лучистой энергии Солнца превращается ... в переизбыток нервно-психической, эмоциональной энергии".

Итак, мы зависим от Солнца. Это проявляется и в других приспособитель­ных ритмах организмов — годичных, суточных (циркадных).

Ряд изменений в жизнедеятельности организмов совпадает по периоду с внешними геофизическими циклами. Это так называемые адаптивные биологические ритмы — суточные, приливно-отливные, равные лун­ному месяцу, годичные. Благодаря этим ритмам, самые важные биологические функции организма, такие как питание, рост, размножение совпадают с наиболее благоприятным для этого процесса временем суток или года. Адаптивные биологи­ческие ритмы возникли как приспособление физиологии живых существ к регу­лярным экологическим изменениям во внешней среде. Этим они отличаются от чисто физиологических ритмов, которые поддерживают непрерывную жизнедея­тельность организмов: дыхание, кровообращение, деление клеток и т.д.

Рассмотрим более подробно примеры отдельных биоритмов организма.

Суточные ритмы.Они обнаружены у разнообразных организмов, от однокле­точных до человека. Это ритмы с 24-часовой периодичностью. Их называют также циркадными ритмами. Такие ритмы врожденные, генетически обу­словленные.

Биоритмы — это периодические колебания какого-либо биологического процесса. Графически биоритмы можно описать синусоидой с определенной амплитудой и фазой колебаний.

У человека отмечено свыше 100 физиологических функций, затронутых су­точной периодичностью: сон и бодрствование, изменение температуры тела, объе­ма, химического состава мочи, мышечной и умственной работоспособности и т.д.

У амеб в течение суток изменяются темпы делений. У некоторых растений к определенному времени суток приурочены открывание и закрывание цветков, поднятие и опускание листьев, максимальная интенсивность дыхания и т.п.

По смене периодов сна и бодрствования животных делят на дневных и ноч­ных. Ярко выражена дневная активность у домашних кур, воробьиных птиц, сус­ликов, муравьев, стрекоз. Типично ночные животные — ежи, летучие мыши, совы, кабаны, большинство кошачьих, тараканы.

Некоторые виды имеют приблизительно одинаковую активность, как днем, так и ночью.

Белки-летяги, для которых характерна сумеречная активность, просыпаются вечером синхронно, в строго определенный час. В условиях эксперимента, будучи помещены в полную темноту, белки сохраняют околосуточный ритм. Тем не ме­нее, он может сбиваться, если не возобновлять чередование дня и ночи.

У человека циркадные ритмы изучались в различных ситуациях: в пещерах, герметических камерах, подводных плаваниях и т.п. Обнаружилось, что в отклоне­ниях от суточного цикла у человека большую роль играют типологические особен­ности нервной системы. Циркадные ритмы могут быть различными даже у членов одной и той же семьи.

У большинства видов при попадании их в другие географические пояса возможна перестройка циркадного ритма. Обычно она происходит не сразу, а за­хватывает несколько циклов и сопровождается рядом нарушений в физиологиче­ском состоянии организма. Например, у людей, совершающих перелеты на само­летах на значительные расстояния, наступает десинхронизацияих физиологического ритма с местным астрономическим временем. Организм начинает перестраивать­ся. При этом чувствуется повышенная усталость, недомогание, желание спать днем и бодрствовать ночью. Адаптивный период продолжается от нескольких дней до двух недель.

Десинхронизация ритмов представляет собой важную медицинскую пробле­му в организации ночной и сменной работы лиц ряда профессий, в космических полетах, подводных плаваниях, работах под землей.

Циркадные и суточные ритмы лежат в основе способности организма чувст­вовать время. Эту способность живых существ называют "биологическими часами" живых организмов, которые ориентиру­ют их не только в суточном цикле, но и в более сложных геофизических циклах изменений природы.

Приливно-отливные ритмы.Виды организмов прибрежной полосы живут в условиях очень сложной периодичности, когда на 24-часовой цикл освещенности накладывается еще чередование приливов и отливов, фаза которых смещается еже­дневно на 50 мин.

Устрицы во время отлива плотно сжимают створки и прекращают питание. Периодичность открывания и закрывания раковины у них сохраняется еще долгое время после перенесения их в аквариум.

Рыбка атерина, обитающая у берегов Калифорнии, использует в своем жиз­ненном цикле высоту приливов. В самый высокий прилив самки откладывают ик­ру у кромки воды, закапывая ее в песчаный грунт. С отступлением воды икра созревает во влажном песке. Выход мальков происходит через полмесяца и приурочен к следующему высокому приливу.

Периодичность, равная лунному месяцу- эндогенный ритм размножения сионских лилий, часто служит сигналом к размножению, нерестованию многощетинковых червей паоло. У человека отмечена склонность к кровотечениям у оперированных больных в зависимости от фаз Луны. Но приспособительное значение большинства эндогенных лунных ритмов пока неизвестно.

Годичные ритмы— одни из наиболее универсальных в живой природе. Годичные изменения в живой природе тесно связаны с размножением, ростом, миграциями и переживанием неблагоприятных периодов года.

Сезонные изменения представляют собой глубокие сдвиги в физиологии и поведении организмов, затрагивающие их морфологию и особенности жизненного цикла. Очевиден приспособительный характер этих изменений.

Чем резче сезонные изменения внешней среды, тем сильнее выражена годовая периодичность жизнедеятельности организмов. Осенний листопад, спячка, запасание жиров, сезонные линьки, миграции развиты преимущественно в зонах умеренного и холодного климата, а в тропиках сезонная периодичность в жизненных циклах выражена менее резко.

Таким образом, наступление очередного этапа годичного цикла у живых организмов частично происходит в результате эндогенной ритмики, а частично вызывается колебаниями внешних факторов.

Одним из наиболее точно и регулярно изменяющихся факторов среды является длина светового дня, ритмы чередования темного и светлого периодов суток. Именно этот фактор служит большинству организмов для ориентации во времени года.

Фотопериодизм — это реакция на сезонные изменения длины дня, ритм чередования светлого и темного периодов суток. Фотопериодизм растений и животных - наследственно обусловленное, генетически закрепленное свойство. Изучением закономерностей сезонного развития природы занимается особая прикладная отрасль экологии — фенология.

Хронобиология, хрономедицина. Новое направление в медико-биологической науке, которая изучает закономерности функционирования организма, всех жизненных процессов во времени.

Составной частью хронобиологии является учение о биологических ритмах.

Временная структура ритмов очень сложная. Можно сказать, что живому организму присущи одновременно все существующие ритмы. Необходимо учиты­вать индивидуальное течение биоритмов у каждого отдельно взятого человека. Так, например, есть люди "совы" и "жаворонки", что зависит от индивидуальных био­ритмов.

Хрономедицина ставит своей целью использовать закономерности биорит­мов для профилактики, диагностики и лечения болезней у человека. Прежде всего, выявляется, есть ли какие-либо отклонения в нормальном течении биоритмиче­ских процессов.

Так, ученые медики выявили вполне четкую и конкретную связь в сдвигах суточных ритмов и гипертонической болезнью, язвенной болезнью желудка и две­надцатиперстной кишки. В данном случае коррекция биоритмов помогает быстрее вылечить больного. За последние годы накоплен большой фактический материал о зависимости действия лекарственных веществ от фазы биоритма. В разных фазах суточных биоритмов различна чувствительность человека к лекарствам.

Для большинства гипотензивных средств наиболее эффективен их прием в 15-17 ч., т. е. в тот момент, когда начинается циркадный подъем артериального давления. Максимум аллергической реакции на пенициллин приходится на часы от 18.50 до 04 часов в течение суток. Одна и та же доза этилового спирта (или эн­дотоксина) в начале фазы активности организма может быть смертельной, а в на­чале фазы покоя — безразлична.

Приведем пример порога болевой чувствительности зубов: на прием к сто­матологу лучше идти после полудня, а не утром.

Практика учета биоритмов применяется при лечении кортикостероидами – разрабатывают индивидуальные, либо для группы людей, схемы хронотерапии, и получают хорошие результаты лечения вегетососудистых расстройств, бронхиаль­ной астмы. При этом введение гормональных препаратов имитирует нормальный биоритм секреции этих гормонов у здоровых людей.

Особенно важен учет биоритмов человека при лечении онкологических за­болеваний, так как важно проводить химиотерапию с учетом фазы митоза раковых клеток, т. е. в той фазе, когда клетки наиболее чувствительны к данному препара­ту.

Сопротивляемость организма также имеет ритмичный характер: в разное время суток организм по-разному реагирует на патологическое действие химиче­ских, физических, биологических факторов окружающей среды. Известно, что в окружающей среде, да и в организме человека, находится достаточное количество микробов, чтобы заболеть в любую минуту. Однако заболевание наступает часто тогда, когда мы не замечаем, но наша кривая сопротивляемости находится в ниж­ней фазе. К тому же влияют внешние факторы (холод, ветер), которые могут уменьшить амплитуду сопротивляемости – и тогда микробы нас побеждают.

Установлено, что амплитуды ритмичных процессов связаны с возрастом — максимальные амплитуды наблюдаются в молодом и зрелом возрасте, а при старе­нии происходит угасание амплитуд биоритмичных процессов, и нарастают процес­сы внутренней десинхронизации.

Ритмы работоспособности. Колебания умственной работо-способности в пе­риод бодрствования изучаются более 100 лет. В экспериментах отмечено, что запо­минание бессмысленных слов обычно быстрее происходит утром; умственная ра­ботоспособность повышается примерно до полудня, после полудня интеллектуаль­ные и двигательные процессы имеют различные кривые: "собственно интеллекту­альные" достигают максимума в середине дня, а "двигательные" функции повы­шаются на протяжении всего дня. У некоторых людей при выполнении задач, свя­занных с "быстрой переработкой информации" наблюдается кроме утреннего еще и пик в 21 ч. Это так называемый "эффект конца работы".

Таким образом, изучение биоритмов человека имеет важное научное и при­кладное значение, которое применяется в практической медицине. Биоритмы — это одна из сторон многообразного процесса адаптации живых организмов к меняю­щимся условиям окружающей среды.