Адаптивные биологические ритмы организмов. Хронобиология, хрономедицина. Ритмы работоспособности.

(2 часа)

Внутренние и внешние ритмы организмов; — работы А.Л. Чижевского, связан­ные с изучением ритмов солнечной активности; — типы биоритмов: суточные, го­дичные, лунный месяц, приливно-отливные; — о хронобиологии и хрономедицине; — 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 экологичский 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 Л-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 ТД-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 десинхронизация их 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 приуро-н к следующему высокому приливу.

Периодичность, равная лунному месяцу- эндогенный ритм размножения онских лилий, часто служит сигналом к размножению, нерестованию многоще-нковых червей паоло. У человека отмечена склонность к кровотечениям у опе-рованных больных в зависимости от фаз Луны. Но приспособительное значение чьшинства эндогенных лунных ритмов пока неизвестно.

Годичные ритмы— одни из наиболее универсальных в живой природе. Го-|ныс изменения п жиной природе тесно связаны с размножением, ростом, ми-щиями и переживанием неблагоприятных периодов года.

Сезонные изменения представляют собой глубокие сдвиги в физиологии и по-(ении организмов, затрагивающие их морфологию и особенности жизненного кла. Очевиден приспособительный характер этих изменений.

Чем резче сезонные изменения внешней среды, тем сильнее выражена годо-: периодичность жизнедеятельности организмов. Осенний листопад, различные шаузы, спячка, запасание жиров, сезонные линьки, миграции развиты преиму-ственно в зонах умеренного и холодного климата, а в тропиках сезонная перио-шость в жизненных циклах выражена менее резко.

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

Одним из наиболее точно и регулярно изменяющихся факторов среды яв-тся длина светового дня, ритмы чередования темного и светлого периодов су-. Именно этот фактор служит большинству организмов для ориентации во вре-1И года.

Фотопериодизм — это реакция на сезонные изменения длины дня, ритм че-ования светлого и темного периодов суток. Фотопериодизм растений и живот-( - наследственно обусловленное, генетически закрепленное свойство. Изуче-м закономерностей сезонного развития природы занимается особая прикладная асль экологии — фенология.

Хронобиология,хрономедицина. Новое направление в медико-биологической ке, которая изучает закономерности функционирования организма, всех жиз-ных 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 работоспособности 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.