Хронобиология (хронос – время, биос – жизнь, логос – наука, учение) – наука о времени в биологических объектах, текущих в режиме колебательных процессов. Основная задача хронобиологии – выяснение роли фактора времени в существовании и развитии биологических систем.

Космос оказывает самое активное влияние на различные процессы жизни на Земле. Первостепенное влияние оказывает Солнце обусловлено тем, что без него жизнь на Земле не могла бы существовать, биологические организмы трансформируют энергию Солнца в другие виды энергии. Идеи о влиянии космоса на земные процессы выдвигались еще античными философами (Гераклит, Платон, Аристотель и др.), в средние века и эпоху Возрождения (Ф. Бэкон, Т. Браге, И. Кеплер), но это влияние считалось незначительным, без научных доказательств. Только в начале 20 века знания о влиянии космоса значительно пополнились научными данными. Особый вклад в изучение влияния космоса и усвоение ритма внесли русские и советские ученые (И. М. Сеченов, И. П. Павлов, В. М. Бехтерев. Н. Е. Введенский и А. А. Ухтомский). В. И. Вернадский впервые рассмотрел биосферу как систему, организованную не только в пространстве, но и во времени.


Основателем гелиобиологии следует считать А. Л. Чижевского, который изучал влияние солнечных ритмов на биологические объекты и тем самым развил новую дисциплину, гелиобиологию, как раздел астробиологии.

Чижевский Александр Леонидович


По современным концепциям естествознания все без исключения природные процессы подчинены определенным ритмам. Однако в настоящее время возможности науки не всегда позволяют зарегистрировать указанные ритмы, а если и регистрируют их, то не всегда обеспечивают раскрытие механизмов возникновения и поддержания таких ритмов.

Природные ритмы, глубинные причины которых в настоящее время неизвестны, объединяют под общим названием «Автоматические ритмы», или авторитмы. Среди последних наибольшее прикладное значение имеют биологические авторитмы, т.е. авторитмы в живых организмах.

Одно из функциональных свойств живой природы — это цикличность большинства происходящих в ней процессов. Между движением небесных тел и живыми организмами на Земле существует связь. Живые организмы не только улавливают свет и тепло от Солнца и Луны, но и обладают различными механизмами, точно определяющими положение Солнца, реагирующими на ритм приливов, фазы Луны и движение нашей планеты. В процессе исторического развития циклические явления, происходящие в природе, были восприняты и усвоены живой материей, и у организмов выработалось свойство периодически изменять свое физиологическое состояние.

Интерес к биоритмам не ограничивается только стремлением узнать, как функционируют живые существа. Сведения о «приливах» и «отливах» тех или иных продуктов, синтезируемых организмом, могут подсказать, например, какое время дня наиболее благоприятно для приема определенных лекарств. Эксперименты на мышах показали, что чувствительность этих животных к токсичным веществам резко меняется на протяжении суток. Мыши активны ночью, и в это время они могут без всяких последствий переносить такую дозу препарата, которая днем окажется смертельной или вызовет сильную реакцию. Как показали результаты одного исследования, из мышей, получавших бактериальный токсин в ранние вечерние часы, погибло 80%, а из животных, получавших такую же дозу среди ночи, — лишь 20% (Halberg, 1960). Далее, диагностика многих заболеваний связана с измерением концентрации некоторых веществ в крови или моче. Зная суточные колебания этих показателей, мы сможем поставить более точный диагноз.

Большинство исследований по биологическим ритмам проводилось на растениях, птицах, других животных (эксперименты на человеке допустимы лишь в том случае, если они не причиняют вреда, так что возможности здесь весьма ограничены). Исследователи пытаются выяснить: 1. какова функциональная организация ритма; 2. где находятся структуры, задающие ритм («пейсмейкеры»), и каков физиологический механизм их действия; 3. какие клеточные и биохимические механизмы обусловливают генерацию ритма в самих пейсмейкерах.

 

Классификация биоритмов

Различают внешние, следующие за циклическими изменениями во внешней среде, и внутренние, или физиологические, ритмы организма.

Внешние ритмы имеют географическую природу: световой режим, температура, давление и влажность воздуха, атмосферное электрическое поле, морские приливы и отливы. На живые организмы действуют и такие космические ритмы, как периодические изменения солнечной активности (11-летние и другие циклы). Ни один физиологический процесс в организме не осуществляется непрерывно, т.е. работа всех клеток, органов и тканей подчиняется определенному ритму. Каждая система имеет свой собственный период. Действиями факторов внешней среды изменить этот период можно лишь в узких пределах, а для некоторых процессов практически невозможно. Организм как бы отсчитывает время, ритмически осуществляя свои физиологические функции. Изменения в жизнедеятельности организмов нередко совпадают по периоду с внешними, географическими циклами.

Суточные ритмы. Дважды в сутки активность живых организмов меняется очень сильно. Это связано с периодическим изменением освещенности. Различия между дневным и ночным образом жизни — явление сложное, и связано оно с разнообразными физиологическими и поведенческими адаптациями, которые выработаны в процессе эволюции. Более 250 лет назад французский астроном Жан-Жак д'Орту де Меран, заметив, что цветок гелиотропа раскрывается днем и закрывается ночью, решил проверить, обусловлено ли движение лепестков реакцией на свет и темноту. Он спрятал растение в темную комнату и начал наблюдать за ним. Оказалось, что цветок не только продолжал раскрываться и закрываться в отсутствие света, но его цикл в точности соответствовал смене дня и ночи. Астроном пришел к выводу, что ритмы растения контролируются каким-то внутренним механизмом. Цветы с такой пунктуальностью ежедневно раскрывают и закрывают свои лепестки, что великий биолог Карл Линней спроектировал цветочные часы, состоящие из различных видов цветущих растений, которые распускались в разное время. Млекопитающие обычно более активны ночью, но существует и исключение, например, человек и человекообразные обезьяны.

У человека выявлено около 500 функций и процессов, имеющих суточную ритмику. У большинства людей в течение суток наблюдается два пика повышенной работоспособности — с 8 до 12 ч и с 17 до 19 ч. Наиболее слабым физически человек бывает с 2 до 5 ч и с 13 до 15 ч. Состояние организма в летнее и зимнее время в какой-то мере соответствует его состоянию днем и ночью.

Кроме Земли и Солнца, есть еще одно небесное тело, движение которого заметно сказывается на живых организмах нашей планеты, — это Луна. У самых различных народов существуют приметы, говорящие о влиянии Луны на урожайность сельскохозяйственных культур, естественных лугов и пастбищ, поведение человека и животных. Периодичность, равная лунному месяцу, выявлена как у наземных, так и у водных организмов (роение ряда комаров-хирономид и поденок, размножение японских морских лилий и многощетинковых червей). Периодическое изменение интенсивности лунного света в течение месяца влияет на беременность гигантских крыс Малайзии, яркий лунный свет стимулирует зачатие у этих животных. Есть мнение, что на полнолуние приходятся периоды эмоциональной максимальной приподнятости у людей; 28-дневный менструальный цикл женщин, возможно, унаследован от предков-млекопитающих, у которых синхронно со сменой фаз Луны менялась и температура тела.

Приливно-отливные ритмы. Влияние Луны, прежде всего, сказывается на жизни водных организмов морей и океанов нашей планеты. Ритмы существуют и у организмов с менее развитым мозгом и даже совсем без мозга. На песчаных пляжах залива Кейп-Код встречается один вид золотистых водорослей. Во время прилива эти одноклеточные организмы находятся в песке, но как только начинается дневной отлив, водоросли продвигаются между песчинками и выбираются на солнце, чтобы подзарядить свой аппарат фотосинтеза. Незадолго до того, как волны возвращающегося прилива накроют их, водоросли вновь уходят на безопасную глубину. Приливы не происходят каждый день в одно и то же время. Наши часы отражают 24-часовые солнечные сутки, а цикл приливов и отливов связан с лунными сутками, длина которых 24,8 ч. Если в понедельник водоросли атлантического побережья северо-востока Соединенных Штатов должны успеть зарыться в песок в 14 ч 1 мин, то во вторник — в 14 ч 57 мин, в среду — в 15 ч 55 мин и т.д.

Зависит ли поддержание столь сложного ритма у этих одноклеточных растений от их реакции на сигналы, поступающие из внешней среды?

Чтобы выяснить это, представителей популяции водорослей перенесли с песчаного пляжа в лабораторию и поместили в сосуд, находившийся в условиях постоянного освещения. Приливов — или их имитации — в лаборатории тоже не было. Оказалось, что, несмотря на отсутствие показателей времени — дней и ночей, приливов и отливов, — водоросли упорно карабкались на поверхность, когда на их родном пляже начинался отлив, и вновь зарывались в песок незадолго до того, как подступала вода. Водоросли были настолько пунктуальны, что экспериментаторы всегда могли судить по ним об уровне воды на берегу океана, находившемся на расстоянии более 27 миль.

Движение Луны вокруг Земли приводит к тому, что существует не только суточная ритмика приливов, но и месячная. Максимальной высоты приливы достигают примерно раз в 14 дней, когда Солнце и Луна находятся на одной прямой с Землей и оказывают максимальное воздействие на воды океана.

Физиология рыбки-грунина такова, что в самые высокие ночные приливы они выбрасываются на берег. Самки, зарыв хвост в песок, откладывают икру, затем самцы оплодотворяют ее, после чего рыбы возвращаются в море. С отступлением воды оплодотворенная икра проходит все стадии развития. Выход мальков происходит через полмесяца и приурочен к следующему высокому приливу. Психологи отмечают изменения в поведении некоторых людей, связанные с фазами луны, в частности, известно, что в новолунье растёт число самоубийств, сердечных приступов и пр.

 

Сезонные ритмы относятся к числу наиболее общих явлений в живой природе. Периодичность в жизни растений и животных является результатом приспособления их к годичному изменению метеорологических условий. Потребность растений умеренных широт в чередовании в течение года холодных и теплых периодов получила название сезонного термопериодизма. Нередко решающим фактором сезонной периодичности является увеличение продолжительности дня. Например, пока продолжительность дня составляет 8 часов, куколка бабочки-сатурний спокойно спит, но как только день становится длиннее, особые нервные клетки в мозге куколки начинают выделять специальный гормон, вызывающий ее пробуждение. Сезонные изменения мехового покрова некоторых млекопитающих определяется продолжительностью дня. Имитируя осень, можно добиться того, что в неволе ласки и горностаи раньше времени меняли свой коричневый летний наряд на белый зимний.

Смена времени года связана с ритмом размножения. У домашних животных и животных в естественной природной среде потомство обычно появляется весной и подрастает, когда больше растительной пищи. Размножение многих мелких млекопитающих (мышей, полевок, леммингов) зависит от количества кормов, а размножение может происходить весной, летом, зимой.

Сезонные ритмы сформировались в ходе естественного отбора и закрепились в естественных структурах организма. Весна - это довольно трудное время года, весной совершается больше самоубийств, чаще наблюдается депрессия у лиц с неуравновешенной психикой. Осень же является оптимальным сезоном года для человека. Годовые ритмы свойственны всем физиологическим и психическим функциям. Психическая и мышечная возбудимость у людей выше весной и в начале лета, зимой она значительно ниже. Значительно изменяется обмен веществ, артериальное давление, частота пульса: он становится реже весной и осенью, а учащается зимой и летом. В окологодовом  ритме меняется  работоспособность  человека осенью она наибольшая. Поэтому для реализации творческих замыслов, бесспорно, хороша осень. Лето лучше использовать для закаливания, формирования выносливости.

Многолетние ритмы. На численность микроорганизмов, массовое размножение животных, рост растений и жизнедеятельность человека влияет солнечная активность. Каждые 11 лет численность зайца-беляка меняется во много раз. Мыши-пеструшки (лемминги), белки, саранча, южно-африканские антилопы, олени время от времени вдруг появляются в огромных количествах и совершают походы, похожие на самоубийство. Нехватка корма не является причиной бессмысленной миграции. Видимо, безумства можно объяснить нарушением нейроэндокринной системы. Многие обменные процессы в организме контролируются надпочечниками, и в период массового размножения, миграции в надпочечниках происходили резкие изменения. При наступлении очень высокой солнечной активности (1957 г.) было установлено, что у молодых оленей произошло перерождение надпочечников. При этом они увеличились.

Этот дефект охватил 80% всех животных, за три месяца следующего года примерно треть всех оленей погибла.

Наблюдения за зайцами-беляками показали, что их повышенная смертность обусловлена «шоковой болезнью». У них в это время снижалось содержание гликогена и сахара. В состоянии стресса у зайцев происходят изменения в надпочечниках, зобной железе, селезенке. В результате этого плодовитость и одновременно смертность в молодом возрасте увеличивается. Раньше специалисты считали, что стрессы являются внутренним регулятором в экосистеме. Но исследования доказали, что состояние стресса у животных наступает и при благополучном положении внутри популяции. Оно возникает под действием космических факторов. Остается неясным механизм этого влияния. Если мы поймем механизм действия космических лучей на биосистемы, то сможем понять, как можно защитить живые организмы от пагубного влияния этих факторов.

 

Наблюдения за разными животными доказывают, что изменение численности происходит синхронно в планетарном масштабе. Это подтверждается наблюдениями при очень высокой солнечной активности в 1957 году, когда на Северном Кавказе, в Поволжье, Прибалтике, Белоруссии, Западной Сибири, а также во Франции имело место массовое размножение отдельных видов грызунов. Несомненно, это имело место и в других регионах на земном шаре.

Дикие животные полностью зависят от природных и погодных условий. Казалось бы, что домашние животные свободны от такой зависимости, и их численность должна определяться только деятельностью человека. Но оказалось, что и это не так. 11-летний цикл солнечной активности совпадает с увеличением поголовья крупного рогатого скота и овец. Изменение солнечной активности приводит к изменению кормовой базы животных, а это сказывается на их численности.

Были изучены изменения прироста урожайности многолетних трав, зерновых культур, валового производства молока и годового удоя на фуражную корову и сопоставлены с солнечной активностью (1946-1970 гг.).

Оказалось, что чем выше солнечная активность, тем выше показатели. Солнечная активность оказывает влияние и на микроорганизмы.

А.Л. Чижевский исследовал эпидемии за много сотен лет и сопоставил их развитие с уровнем солнечной активности. Он показал, что практически все эпидемии так или иначе связаны с солнечной активностью. Исследования эпидемий холеры показали, что каждая вспышка этой болезни, а также наибольшее ее распространение совпадали по времени с максимальной солнечной активностью.

В.Н. Ягодинский, использовав данные Всемирной организации здравоохранения, установил, что инфекционные заболевания изменяются во времени с различными периодами (3,5, 8, 11 и 18-19 лет). Цикл продолжительностью 11 лет всегда преобладает. Период длительностью 18-19 лет связан с движением Луны и Солнца, их расположением относительно Земли. Гравитационное притяжение меняется именно с таким периодом. Зависимость активности вирусов от электрического состояния атмосферы была установлена в 1931 году. При высокой солнечной активности чаще проявляются заболевания ящуром, клещевым энцефалитом, так как снижается иммунитет.

Смертность людей, страдающих сердечно-сосудистыми заболеваниями, находится в прямой зависимости от солнечной активности. Специалисты показывают, что велика роль электромагнитных излучений (магнитных бурь) в психических расстройствах. Влияние магнитных бурь на нервную систему прослеживается на транспорте. Немецкие ученые установили, что на второй день после солнечной вспышки количество автомобильных катастроф увеличивается почти на треть, а реакция водителя замедляется примерно в 4 раза. По данным наших ученых, число самоубийств спустя сутки после солнечной бури примерно в 4-5 раз больше, чем в спокойных условиях. Электромагнитные излучения мозг воспринимает, минуя органы чувств.

В последнее время человек перестал жить по биологическим часам. Для него гораздо важнее социальные ритмы: время начала и конца рабочего дня, работы радио и телевидения и даже транспорта. Социальные ритмы перестали укладываться в рамки свойственных человеку биологических ритмов. Урбанизация значительно раздвинула границы бодрствования и заметно потеснила рамки сна. Современный ритм требует постоянной собранности в любое время суток, и биологический ритм не может приспособиться под социальные ритмы.

Анализ крупных аварий показал, что происходили они ночью в наиболее опасный период между 1.00 и 3.00 ч. ночи. Вопросы эффективности деятельности в периоды биологического спада работоспособности приобретают особое значение в тех производствах, где ошибочные действия могут привести к серьезным катастрофам. Десинхронизация ритмов определенно играет неблагоприятную роль.

С пониженной работоспособностью пилотов, не успевших приспособиться к работе в другую смену, связан целый ряд происшествий, едва не закончившихся трагически. Однажды Боинг-707, который должен был по графику приземлиться в Международном аэропорту Лос-Анджелеса, своевременно появился на дисплее слежения, но продолжал двигаться на высоте более 10 000 метров, удаляясь на запад над Тихим океаном. Пришедшие в замешательство и обеспокоенные авиадиспетчеры смогли включить сигнал тревоги в кабине самолета. Оказалось, что вся команда заснула, и самолет управлялся автопилотом. К счастью, в самолете хватило топлива для возвращения в Лос-Анджелес.

Неблагоприятное воздействие сменного графика, возможно, послужило одной из причин едва не разразившейся катастрофы на ядерном заводе «Три-Майл-Айленд». Бригада, находившаяся у пульта управления, пропустила несколько сигналов, предупреждавших о грозящей опасности. Оказалось, что эта бригада только что приступила к работе в ночную смену после шести недель непрерывного сменного графика.

 

Функции биологических часов

Биологические часы выполняют ту же функцию, что и любые другие часы, — они измеряют время. Биологические часы измеряют время таким образом, чтобы нервная система могла приводить нужды организма в соответствие с условиями среды.

Для обитателей нашей планеты наиболее заметной особенностью окружающей среды является суточный цикл света и темноты. Почти все ритмы прямо или косвенно связаны со сменой дня и ночи. Даже сезонные ритмы, такие как миграции и зимняя спячка, зависят от каждодневных ритмов.

Все ритмы — это генетически запрограммированные продукты эволюции, позволяющие организму адаптироваться к окружающей среде. Однако программа не есть нечто жесткое: она позволяет организмам реагировать на некоторые изменения внешних условий, в частности, на колебания количества света, связанные с изменениями длины дня на протяжении года. Даже для людей цикл света и темноты — это эффективный фактор поддержания биологических ритмов по установленному образцу. У людей, изолированных от световых и социальных сигналов, биологические часы переходят на свободно текущий ритм, и синхронность ритмов нарушается.

Социальные сигналы могут быть не менее важны для людей, чем любые другие времязадатели, ведь люди — это в конце концов «общественные животные», как назвал их Эллиот Аронсон. В одном исследовании, проведенном НАСА, две группы добровольцев, в каждой из которых было по четыре человека, находились в условиях постоянного освещения, что обеспечивало возможность свободного течения их ритмов. Члены каждой группы синхронизировались друг с другом, причем в одной группе поддерживался цикл, равный 24,4 часа, а в другой —24,1 часа. Когда одного из испытуемых переводили из группы в группу, у него можно было наблюдать постепенное смещение фаз и синхронизацию ритмов с ритмами его новых товарищей. Одно только присутствие других людей уже обусловило такую синхронизацию. В недельных ритмах подчеркнуто выражен социальный (экзогенный) компонент - недельный ритм работы и отдыха, в соответствии с которым изменяются функциональные отправления нашего организма.

Динамика работоспособности испытывает влияние недельного ритма: в понедельник происходит врабатываемость после выходных дней, максимум работоспособности наблюдается в середине недели, а к пятнице уже накапливается усталость, утомление и работоспособность падает. Следовательно, в понедельник и пятницу рабочую нагрузку стоит уменьшить за счет других рабочих дней. Недельному  биоритму  подвержены не только физиологические, но  и  психические процессы, а точнее целостное протекание тех и других. Вот почему особенно удачным распорядком оказывается тот, когда попеременно усиливается то физическая, то интеллектуальная активность человека. Недельный ритм упорядочил трудовую деятельность, приспособив ее к физическим возможностям и потребностям организма. Ритм этот не случаен, и борьба с ним - это борьба человека с его же собственными, но еще не познанными законами. Распределяя рабочую нагрузку, учитывайте следующее:

1. не планируйте трудовые подвиги в понедельник. Понедельник – день конфликтов, инфарктов и инсультов;

2. дни активных действий – вторник, среда, четверг;

3. пятница – день спокойной, рутинной работы, не требующей нагрузки и напряжения.

 

В начале ХХ в. австрийский психолог Герман Свобода (1873-1963 гг.) и немецкий врач Вильгельм Флисс (1859-1928 гг.), обобщив большой клинический материал по доступным им историям болезни пациентов с хроническими заболеваниями различной этиологии, независимо друг от друга обнаружили интересную математическую закономерность.

Оказалось, что периоды обострения болезней, когда больные чаще обращались к врачам, чередуются с периодичностью 23 и 28 дней. Эти циклы были названы В. Флиссом физическим и эмоциональным соответственно. Позднее австрийский преподаватель Альфред Тельшер обратил внимание, что способность студентов усваивать учебный материал также подвержена цикличности, но уже с периодом 33 дня. Этот ритм был назван интеллектуальным. С тех пор во многих странах мира были проведены тысячи исследований со статистической обработкой множества данных, касающихся не только заболеваемости и умственной работоспособности, но и несчастных случаев на производстве, аварий на транспорте, смертности, спортивной результативности и т.д. В итоге, сформировалась концепция о так называемых флиссовских ритмах, запускаемых в организме человека с момента его рождения и продолжающихся в течение всей жизни.

 

Таким образом, установление закономерностей временного течения биологических процессов способствует прогрессу в других областях знания о живой природе и имеет большое практическое значение:

1. Учение о фотопериодизме важно для сельского хозяйства;

2. Медицина использует данные хронобиологии при диагностике и лечении некоторых заболеваний;

3. К наиболее актуальным проблемам хронобиологии относятся: изучение природы и механизма различных биологических ритмов, влияние на них внешних факторов,

4. Значение биоритмов в приспособлении организма к окружающей среде;

5. Роль биоритмов в трудовой деятельности человека и в развитии у него заболеваний;

6. В решении задач космической биологии и медицины.

 

Достижения хронобиологии

Биоритмы обнаружены на всех уровнях организации живой природы. Биоритмика — одно из наиболее общих свойств живых систем.

Биоритмы признаны важнейшим механизмом регуляции функций организма, обеспечивающим гомеостаз, динамическое равновесие и процессы адаптации в биологических системах.

Биоритмы, с одной стороны, имеют эндогенную природу и генетическую регуляцию, с другой, их осуществление тесно связано с модифицирующим фактором внешней среды, так называемых датчиков времени. Эта связь в основе единства организма со средой во многом определяет экологические закономерности.

Сформулированы положения о временной организации живых систем, в том числе — человека — одним из основных принципов биологической организации. Развитие этих положений очень важно для анализа патологических состояний живых систем.

Обнаружены биоритмы чувствительности организмов к действию факторов химической и физической природы. Хронофармакология — способы применения лекарств с учетом зависимости их действия от фаз биологических ритмов функционирования организма и от состояния его временной организации, изменяющейся при развитии болезни.

Закономерности биоритмологии учитывают при профилактике, диагностике и лечении заболеваний.

 

Это интересно:

Взрослая особь дрозофилы появляется из куколки в предрассветный час. Английский биоритмолог К. Питтендрай в течение полугода обеспечил мушкам круглосуточное освещение, чтобы они не знали, когда день сменяет ночь. Тем не менее 16 поколений мушек, так же, как их предшественники, появились точно перед рассветом.

В Панаме обитает забавная птица, похожая на маленького страуса, — шляпковый тинами. Днём и ночью, на протяжении всего года, тинами заводит свою песню каждые три часа. Крапивник — одна из самых крохотных птичек в мире — начинает петь каждый день в 5:57 утра, вне зависимости от времени восхода солнца, которое в течение года меняется.

Последнее изменение: суббота, 19 декабря 2020, 21:55