Биологические ритмы организма

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА БИОРИТМОВ

Жизнь человека неразрывно связана с фактором времени. Одна из эффективных форм приспособления организма к внешней среде — ритмичность физиологичес­ких функций. Биоритм — автоколебательный процесс в биологической системе, характеризующийся последовательным чередованием фаз напряжения и расслаб­ления, когда тот или иной параметр последовательно достигает максимального или минимального значения. Закон, по которому происходит этот процесс, мо­жет быть описан синусоидальной кривой.

Ритмические процессы отражают движение составляющих тел Вселенной, в том числе и движение Земли. Возникновение биологических ритмов связано с пе­риодами, близкими к геофизическим циклам. Это возникновение было необходи­мым условием сохранения живой материи на Земле и возможности ее дальнейшей эволюции. Биоритмы получили распространение во всем живом: в простейшей живой плазме, растениях, мире животных, человеке. Появление даже самых при­митивных биоритмов имеет адаптивное значение.

У человека и животных описано около 400 биоритмов. Существует несколько их классификаций. Чаще всего биоритмы классифицируют на основании частоты колебаний (осцилляций), или периодов. Выделяют следующие основные ритмы:

Ритмы высокой частоты, или микроритмы (от долей секунды до 30 мин). Примерами микроритмов являются осцилляции на молекулярном уровне, ЧСС, частота дыхания, периодичность перистальтики кишечника.

Ритмы средней частоты (от 30 мин до 28 ч). В эту группу входят ультрадиан- ные (до 20 ч) и циркадианные, или околосуточные (20-28 ч), ритмы. Цирка­дианный ритм — основной ритм физиологических функций человека.

Мезоритмы (от 28 ч до 6-7 дней). Сюда относятся циркасептальные ритмы (около 7 дней). С этими ритмами связана работоспособность человека, по­этому каждый 6 или 7 день недели является выходным.

Макроритмы (от 20 дней до 1 года). К ним относятся циркануальные (цирканные), или окологодовые, ритмы, а также сезонные и околомесячные (цир- касинодические) ритмы.

Мегаритмы (длительность в десяток или многие десятки лет). Этому виду ко­лебаний подчинены некоторые инфекционные процессы, свойственные чело­веку (эпидемии) и животным (эпизоотии). Примером мегаритма является волнообразное изменение физического развития людей на протяжении мно­гих веков. Так, неандертальцы были маленького роста, а кроманьонцы — боль­шого. В средние века рост людей был относительно мал, а в середине ХХ в. возникло явление акселерации.

Между перечисленными типами биоритмов существуют переходы.

В другой классификации биоритмов учитывают специфику субстрата, или уро­вень организации изучаемой биологической системы. Выделяют ритмы:

отдельных субклеточных структур;

жизнедеятельности клеток;

органов или тканей;

одно- и многоклеточных организмов;

популяций и экосистем.

Каждый биоритм можно охарактеризовать с помощью методов математического анализа, а также графического изображения (биоритмограммы, или хронограммы).

На рис. 11.1 представлен принцип построения биоритмограммы на примере суточного изменения ЧСС.

Как видно из рисунка, биоритмограмма имеет синусоидальный характер. В ней различают: временной период, фазу напряжения, фазу расслабления, амп­литуду напряжения, амплитуду расслабления, акрофазу данного биоритма.

Временной период — важнейшая характеристика биоритма — отрезок време­ни, по истечению которого происходит повторение функции или состояния орга­низма.

Рис. 11.1. Схема биоритмограммы на примере циркадного ритма ЧСС: 1 — амплитуда напряжения; 2 — амплитуда расслабления

 

Фазы напряжения и расслабления характеризуют усиление и снижение функ­ции в течение суток.

Амплитуда — разница между максимальной и минимальной выраженнос­тью функции в дневное (амплитуда напряжения) и ночное (амплитуда расслабле­ния) время. Общая амплитуда — разница между максимальной и минимальной выраженностью функции в рамках всего суточного цикла.

Акрофаза — время, на которое приходится наивысшая точка (или максималь­ный уровень) данного биоритма.

Другими разновидностями биоритмограммы являются инвертированные и двухвершинные кривые.

Инвертированные кривые характеризуются снижением исходного уровня ак­тивности в дневное время, т. е. изменением функции в направлении, противопо­ложном обычному. Двухвершинные кривые отличаются двумя пиками активности в течение дня. Появление второго пика — это проявление адаптации к условиям существования. Например, первый пик работоспособности человека (11-13 ч) — это естественное проявление биоритма, связанное с дневной активностью. Вто­рой подъем работоспособности (вечерние часы) обусловлен необходимостью вы­полнения домашних и других обязанностей.

ЦИРКАДИАННАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ ФУНКЦИЙ ЧЕЛОВЕКА

Большинство физиологических и биохимических процессов в организме челове­ка и животных связано со световым режимом и изменяется закономерно в тече­ние суток. Поэтому циркадианный биоритм — базисный биоритм человеческо­го организма. Появление циркадианных ритмов позволило живым организмам «измерять» время, отсюда появилось такое понятие, как «биологические часы». Древнейшая функция циркадианного биоритма заключалась в приурочивании максимальной биологической активности к определенному времени суток, ко­торое было бы наиболее благоприятно для деятельности данного организма.

В основе циркадианной организации функций лежит периодическая смена бодрствования и сна. В целом у человека психическая деятельность и физичес­кая работоспособность эффективнее в дневные часы, чем ночью. В светлой фазе суток у человека больше двигательная активность. Возрастание умственной ра­ботоспособности выражается в повышении скорости переработки информации, эффективности обучения. В это же время повышается биоэлектрическая актив­ность мозга (рис. 11.2).

Можно выявить два пика мозговой деятельности людей в дневные часы: вы­сокая активность в 10-12 и в 16-18 ч, спад — к 14 ч. Однако существуют индиви­дуальные различия временного распределения работоспособности.

Как правило, в ночные часы умственная работоспособность уменьшается. Но это не означает полного исчезновения биоритмов. Сон — это не только компонент циркадианного биоритма (сон-бодрствование). Он состоит из 5-7 повто­ряющихся циклов, т. е. должен рассматриваться как биоритмический феномен.

Показатель работоспособности

100 %

Рис. 11.2. Циркадианный ритм умственной работоспособности школьников

 

Суточные колебания работоспособности четко коррелируют с ритмами от­дельных физиологических систем и обмена веществ. К концу дня у человека на­блюдается максимум частоты, глубины и объема дыхания, сократительная функ­ция миокарда достигает наибольших значений. Кровообращение наиболее интен­сивно днем в головном мозге и мышцах, а ночью — в сосудах кистей рук и стоп.

В течение суток изменяется и реактивность сердечно-сосудистой системы к нагрузкам. Днем физическая нагрузка вызывает больший прирост кровообра­щения, чем ночью. Поэтому одна и та же нагрузка ночью ощущается как более тяжелая, что необходимо учитывать при работе в ночную смену.

Циркадианная ритмика охватывает и органы кроветворения. Костный мозг наиболее активен утром, поэтому в утренние часы в кровоток поступает наиболь­шее количество молодых эритроцитов. Содержание гемоглобина в крови самое высокое с 11 до 13 ч, а его минимум приходится на 16-18 ч. Скорость оседания эритроцитов минимальна рано утром и максимальна в 9-10 ч.

Суточные колебания проявляются в процессе свертывания крови: в ночное время происходит уменьшение свертывающей активности, а днем этот процесс постепенно усиливается и достигает максимальных значений в полдень.

Бронхиальная проходимость снижена в ночные и утренние часы, но, начиная с 11 ч, она увеличивается и достигает максимума к 18 ч.

От фазы суточного ритма зависит деятельность желудочно-кишечного трак­та людей. Слюноотделение, секреция желудочного и поджелудочного сока, двига­тельная активность желудка и кишечника больше днем, чем ночью. Данная зако­номерность проявляется даже у людей, работающих в ночную смену.

Хотя желчь вырабатывается печенью непрерывно, ее выделение неодинаково в разное время суток: в первой половине дня оно больше, а в вечерние часы —меньше. Это создает условия для лучшего переваривания жиров в первую поло­вину дня, когда человеку особенно необходимо энергетическое обеспечение его функций. В первой половине дня более интенсивно происходит процесс распада гликогена в печени с освобождением глюкозы. Во второй половине дня и ночью печень усиливает ассимиляцию глюкозы и синтез гликогена, создавая энергети­ческий резерв для следующего дня.

Циркадианный режим характерен и для функции почек. В утренние часы в канальцах почек происходит особенно активная реабсорбция фосфатов, глюкозы и других веществ, необходимых для поддержания энергетических расходов орга­низма. Реабсорбция воды в почках увеличивается в ночное время, в результате чего ночью уменьшается выведение мочи.

Интенсивность метаболических процессов, протекающих как на уровне от­дельной клетки, так и в пределах целого организма, особенно высока в часы наи­большей активности. Так, у человека в дневное время активизируются процессы катаболизма (распада) углеводов и белков, а в ночное время преобладают анабо­лические процессы, т. е. синтез веществ, обеспечивающих пластические и энерге­тические функции.

Суточные колебания уровня метаболических процессов коррелируют с тем­пературой тела. У человека самая высокая температура тела отмечается в вечер­нее время, самая низкая — в утренние часы.

Суточные колебания деятельности внутренних органов и обмена веществ во многом определяются изменениями нейроэндокринной регуляции в цикле бодр­ствование - сон. Во время бодрствования преобладает функциональная активность симпато-адреналовой системы. Циркадианные ритмы характерны и для функции желез внутренней секреции. В первой половине ночи увеличена секреция соматот- ропина, пролактина и тиреотропина. Кортикотропин выделяется из гипофиза во второй половине ночи.

С ритмами гипоталамо-гипофизарной системы связаны колебания функции периферических эндокринных желез, но максимальный уровень их секреторной активности отстает на 2-3 ч от выделения гипофизарных гормонов. Так, если кор- тикотропин секретируется максимально во второй половине ночи, то кортико­стероиды — ранним утром, что создает условия для хорошей работоспособности человека сразу же после пробуждения. А ритм тиреоидных гормонов достигает максимума во второй половине ночного сна.

Суточные ритмы различных функций организма образуют единое целое, в ко­тором прослеживается строго упорядоченная последовательность метаболичес­ких, физиологических процессов и поведенческих актов. У животных ведущими являются ритмы поведенческой деятельности, а у человека — трудовой. Биорит­мы человека могут в определенной мере перестраиваться при изменении условий работы, например, при переходе из дневной смены в ночную. У человека наблюда­ется социальная детерминированность ритмических колебаний физиологических и биохимических процессов.

БИОРИТМОЛОГИЧЕСКАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ ФУНКЦИЙ ОРГАНИЗМА

Сезонные биоритмы

Сезонные биоритмы у животных сформировались в ответ на изменения про­должительности светового дня, температуры окружающей среды, кислородного обеспечения, наличия пищи и воды в разные периоды года. Примером генети­чески закрепленного сезонного биоритма у животных служат весенние и осенние перелеты птиц. У животных четко выражены зимняя спячка, сезонная линька, сезонность репродуктивных функций. Это связано с метеорологическими факто­рами, действующими в разные времена года.

У человека, жизнедеятельность которого меньше зависит от изменяющихся метеоусловий, сезонные биоритмы выражены слабее. Тем не менее, некоторые функции человека зависят от сезонности. Так, максимальное увеличение роста у детей происходит весной и ранним летом, а минимальное — зимой. Зимой содер­жание общих липидов и жирных кислот в плазме и эритроцитах крови больше, чем летом, что имеет существенное энергетическое значение.

Человек не относится к живым существам с выраженным сезонным ритмом размножения. Однако половая активность мужчин снижается в конце зимы, и в это же время обнаруживается максимум нежизнеспособных половых клеток. С наступлением весны происходит активирование половой функции. Увеличение концентрации тестостерона происходит у мужчин в конце лета и начале осени.

Зимой увеличивается активность симпато-адреналовой и гипофизарно-тире- оидной систем. Значительная выработка катехоламинов, возбуждение симпати­ческих нервов и повышенная продукция тиреоидных гормонов усиливают работу энергетических механизмов организма в условиях холодной температуры окружа­ющей среды и, следовательно, способствуют сохранению нормальной температу­ры тела.

В летнее время как у животных, так и у человека увеличивается выработка вазопрессина — нейрогормона, одной из функций которого является сохранение воды в организме. Это предохраняет организм от обезвоживания в жаркое время года.

Система кровообращения человека функционирует наиболее напряженно в холодное время года, поэтому сердечно-сосудистые патологии протекают цик­лично. У жителей северного полушария акрофаза смертности от сердечно-сосу­дистых заболеваний совпадает с январем. В южном полушарии наибольшая час­тота сердечно-сосудистых заболеваний приходится на июнь.

Иммунная система организма человека максимально напряжена зимой. Наи­более благоприятна для человека ранняя осень. Осенью у человека повышается обмен веществ и потребление кислорода, организм насыщается витаминами, а это улучшает метаболические процессы. Прохлада, наступающая после летней жары, повышает тонус нейроэндокринной регуляции функций. Стимулирующее влияние на человека оказывают факторы среды, воспринимаемые важнейшими анализаторными системами организма: яркие краски осенних растений, их аро­маты. Все эти факторы благоприятно действуют на человека.

Кроме сезонных и околосуточных биоритмов существуют и другие. Например, спортсмены-мужчины достигают наивысших результатов раз в три года, а женщи­ны-спортсменки — раз в два года. Колебания душевного состояния на протяжении всей жизни человека происходят с периодичностью в 6-7 лет. Каждый из этих пе­риодов характеризуется особым творческим подъемом.

Астрофизические факторы и биоритмы

Эволюция Земли и биосферы неразрывно связана с эволюцией космоса, в част­ности с Солнечной системой. Впервые серьезное внимание на связь явлений астро­физической природы с жизнью организмов обратили В. И. Вернадский и А. Л. Чи­жевский.

А. Л. Чижевский одним из первых проанализировал взаимосвязи проявле­ний солнечной активности — пятен на Солнце — с биологическими процессами, в частности, с эпидемическими заболеваниями. Он является основателем гелио­биологии*. Солнечная активность ритмически колеблется, потому что, во-первых, каждая активная область проходит определенный цикл развития и, во-вторых, во времени меняется количество пятен, т. е. взрывов на Солнце. Средний период ко­лебаний активности Солнца — 11 лет.

В годы максимальной солнечной активности увеличивается и активность ря­да вирулентных бактерий, поэтому учащаются эпидемии. Чаще возникают забо­левания сердечно-сосудистой системы: гипертонические кризы, инфаркт миокар­да, мозговые инсульты. В момент геомагнитных бурь возрастает число автокатас­троф и случаев травматизма на производстве.

А. Л. Чижевский считал, что повышение уровня солнечной активности выво­дит организм из состояния устойчивого равновесия и провоцирует болезненные состояния.

Луна также влияет на живые организмы. Вследствие ежемесячного движения Луны (лунный месяц — 28 суток) изменяется геомагнитное поле, что в свою оче­редь влияет на погоду и живые организмы. Особенно большое влияние оказыва­ет наложение солнечных и лунных приливов, когда Луна и Солнце располагают­ся примерно на одной прямой. Лунные биоритмы обнаружены у плоских червей, моллюсков, крабов, некоторых видов рыб и птиц.

Трудность изучения действия отдельных геофизических и астрофизических факторов на человека связана с тем, что они действуют комплексно и их трудно отличить друг от друга.