Адаптивные биологические ритмы организмов. 
Хронобиология, хрономедицина. 
Ритмы работоспособности

Внутренние и внешние ритмы организмов; работы А. Л. Чижевского, связанные с изучением ритмов солнечной активности; типы биоритмов: суточные, годичные, лунный месяц, приливно-отливные; хронобиология и хрономедицина; ритмы 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 адаптаций, 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: Gи S-фазы митоза. Таким образом, обновление ДНК и РНК в клетке ритмично. Сборка белков также строго ритмичный процесс, который можно сравнить с работой конвейера.

ш 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 г. Он был всесторонне образованным человеком: окончил 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. На его основе создан и имеется в широкой продаже прибор «люстра Чижевского», позволяющий «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 в 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, эпизоотий, сердечно-сосудистых катастроф и нервно-психических кризов в солнечноземном 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 нервнопсихической, 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 ит. 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 деления. 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, птиц отряда воробьиных, 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 чувствуются 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 японских лилий, — часто служит сигналом к размножению, нересту 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 медикобиологической 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 люди-«жаворонки», что зависит от индивидуальных биоритмов.

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

Так, ученые-медики выявили вполне четкую и конкретную связь сдвигов суточных ритмов и гипертонической болезни, язвенной болезни 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 ч 50 мин до 4 ч 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 — безразличной.

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.

Биоритмы — это закономерные периодические изменения физиологии и поведения организмов при смене времени суток, сезонов года, приливов и отливов, лунных фаз. Биоритмы являются одной из сторон многообразного процесса адаптации живых организмов к меняющимся условиям окружающей среды и имеют большое практическое значение. Изучение биоритмов человека имеет важное научное и прикладное значение, находит применение в практической медицине.

Вопросы и задания для самоконтроля

• 1. Проанализируйте, почему большинство биологических процессов имеет циклический характер, т. е. чередование периодов активности и покоя.
• 2. Приведите примеры повторяющихся процессов.
• 3. Прокомментируйте, с чем связано появление внешних ритмов у организмов.
• 4. Приведите примеры внутренних ритмов организмов.
• 5. Объясните, как возникает десинхронизация ритмов и в чем она выражается.
• 6. Назовите примеры приливно-отливных ритмов.
• 7. Прокомментируйте примеры годичных ритмов, объясните их приспособительный характер.