Биологические ритмы. Происхождение и роль

Ростовский Государственный  Университет.

Физический факультет.

Кафедра биофизики и  биокибернетики.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Реферат

На тему: “Биологические ритмы. Происхождение и роль.”

Студент 1 курса 9 группы

Дейниченко Андрей Викторович

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

-Ростов – на - Дону-

2003 г.

 “БИОЛОГИЧЕСКИЕ РИТМЫ (биоритмы) - циклические колебания интенсивности и характера биологических процессов и явлений. Одни биологические ритмы относительно самостоятельны (напр., частота сокращений сердца, дыхания), другие связаны с приспособлением организмов к геофизическим циклам - суточным (напр., колебания интенсивности деления клеток, обмена веществ, двигательной активности животных), приливным (напр., биологические процессы у организмов, связанные с уровнем морских приливов), годичным (изменение численности и активности животных, роста и развития растений и др.). Наука о биологических ритмах - хронобиология.” (Большой Энциклопедический Словарь).

   Биологические ритмы присущи всем живым организмам и на всех уровнях организации жизни. К ритмам можно отнести опадение и распускание листвы у растений, у живых организмов – бодрствование и сон, линька, миграции… Также к ритмам можно отнести и колебания численности популяций.

   Амплитуда биоритма - величина наибольшего отклонения от равновесного состояния.   Период биоритма - промежуток времени, за который совершается один полный цикл.

   Мезор - статистическая срединная ритма (полезного сигнала); при равноудаленных данных совпадает со средней арифметической.

   Циркадианный (околосуточный)  ритм - относящийся к биологическим колебаниям или ритмам с частотой 1 цикл в 24±4 часа.

   Циркасемидианный (околополусуточный)  ритм - относящийся к биологическим колебаниям или ритмам с частотой 1 цикл в 12 часов.

   Циркасептанный (околонедельный) ритм - относящийся к биологическим колебаниям или ритмам с частотой около 1 цикла в 168 часов.

  Циркасемисептанный (околополунедельный) ритм - относящийся к биологическим колебаниям или ритмам с частотой около 1 цикла в 84 часа.

   Эндогенными ритмами называются ритмы, задаваемые внутренними часами.      Экзогенными ритмами называются ритмы, которые регулируются внешними факторами. Большинство биологических ритмов – смешаные. Одним из самых главных внешних факторов биоритмов является продолжительность светового дня. 

   Главный признак ритмических процессов - их повторяемость. Под ритмами понимают периодически повторяющиеся явления природы. Ритмы, регистрируемые в живом мире, именуются биологическими. Биоритмы - это регулярные количественные и связанные с ними качественные изменения биологических процессов, происходящие на разных уровнях организации живого: молекулярно-генетическом, клеточном, тканевом, органном, организменном, популяционно-биосферном. Главными составляющими параметрами ритма являются период, амплитуда, фаза. Биологические ритмы, совпадающие по длительности с соответствующими геофизическими циклами, именуются "экологическими" или "адаптивными". К ним относятся многолетние (совпадающие, например, с около 11-летним ритмом солнечной активности), годовые, сезонные, лунные, приливно-отливные и суточные изменения жизнедеятельности.

  

Суточные ритмы.

 

   Суточные ритмы – биологические  ритмы с периодом изменения  в 1 сутки. Суточные ритмы свойственны большинству биохимических и физиологических процессов (частота деления клеток, колебания  температуры тела, интенсивность обмена веществ и др.). С ними связана суточная ритмичность активности животных, положение листьев и лепестков у растений. У животных обнаружены центры в мозге, синхронизирующие суточные ритмы органов и клеток друг с другом и с изменениями внешней среды. При нарушении естественного ритма среды суточные ритмы разных физиологических функций теряют синхронность. Резкое нарушение суточных ритмов приводит к возникновению изменений в организме.

Годичные ритмы.

 

   Годичные ритмы – биологические  ритмы с годичной периодичностью  изменения. Наблюдаются у всех  организмов. Годичные биоритмы в  значительной степени определяются изменениями длины светового дня. Годичные ритмы проявляются в миграциях, зимней спячке некоторых животных, распусканием и сбрасыванием листьев растениями и др.

Организм и окружающая среда.

 

   Главный закон природы  и жизни современная наука  определяет следующим образом.

1. Ритмичность - универсальный феномен живой и неживой природы, общий принцип организации различных природных процессов.

2. Ритмичность - фундаментальное свойство жизни, проявляющееся на всех уровнях ее организации.

3. Живой организм - сложная автоколебательная система, приспособленная к выживанию в периодически изменяющихся условиях окружающей среды.

Так в наше время говорят о  сущности жизни.

Организм и среда, в которой  возникла и протекает жизнь, рассматриваются  как единое целое, самое общее свойство которого - циклический характер множества природных процессов и явлений.

Это свойство мы рассмотрим здесь  как общий принцип организации  жизненных процессов и как  основу оптимального выживания.

   Условия жизни. Жизнь возникла и развивалась в условиях, регулярно повторяющихся на протяжении всей эволюции биосферы Земли: смена дня и ночи, сезонов года; суточные, месячные, годичные и многолетние колебания гравитации, магнитного поля, солнечной радиации.

Они называются периодически повторяющимися условиями жизни.

Все живое приспособлено к существованию  и выживанию в этих условиях, организовано так, чтобы в каждый момент времени  внутренние процессы оптимально соответствовали  внешним изменениям.

Это принцип нормального существования  и основа выживания. В норме организм и среда изменяются как единое целое, основой этого единства (основным законом жизни) является система   биоритмов.

   Ритмическая основа жизни. Определяя суть жизни и наиболее общий принцип ее организации, в наше время говорят следующее.

В процессе длительной эволюции живой  материи, продолжавшейся около 3 миллиардов лет, возникли весьма совершенные и  хорошо организованные биосистемы (человек, животные, растения), основу жизнедеятельности  которых составляют присущие всем формам жизни колебательные процессы - биологические ритмы.

   Система   биоритмов.   Биоритм   представляет собой колебания интенсивности или скорости какого-либо биологического процесса через приблизительно равные промежутки времени.

  Биоритмы   охватывают диапазон  периодов от долей секунды (на клеточном уровне) до нескольких лет (на уровне целостного организма) и образуют единую автоколебательную систему.

Каждый  элемент этой системы (отдельный  циклический процесс) является частью целого - единой системы   биоритмов  , в которой все процессы согласованы между собой и с внешними условиями.

Эти два  вида согласования обеспечивают нормальную работу сложного организма как целого и выживание в условиях среды.

   Природные ритмы. Среда, в которой протекает жизнь, представляет собой автоколебательную систему, периодически изменяющиеся условия которой оказывают на организм регулирующее воздействие. О том, как это происходит, мы расскажем далее, здесь рассмотрим два вопроса. Какие ритмы существуют в живой и неживой природе? Каким образом изменение космических условий оказывает влияние на земную жизнь?

Прежде  всего, постоянно меняется сила гравитации (тяготения, притяжения), которая действует  на Землю со стороны всех объектов Солнечной системы. Под действием  этой силы возникают приливы в морях и океанах, изменяется состояние атмосферы. Циклы, полученные из взаимного расположения планет, продолжительностью 19, 23, 26, 39, 53 и 78 месяцев имеют свое отражение как в земных процессах, так и в живых существах. Имеются и более длительные циклы - десятки и сотни лет.

Расположение  планет влияет на солнечную активность, а изменение солнечной активности вызывает возмущение магнитного поля Земли. На живые организмы оказывают  влияние как процессы, непосредственно  связанные с солнечной активностью (колебания уровня радиации), так и процессы, вызванные магнитными бурями. В изменении солнечной активности имеются циклы: 7.8, 11.6, 12.6, 15, 17, 33 года и более. Кроме того, период обращения Солнца вокруг своей оси составляет 27 земных суток. С такой периодичностью протекает и ряд процессов в живой природе Земли.

Особенность влияния Луны на земную жизнь состоит  в том, что она находится близко к Земле. Поэтому движение Луны оказывает  на земные процессы большое влияние, задавая ритмы, равные 23, 28 и 29.5 суток. Земля вращается вокруг своей оси и движется по орбите вокруг Солнца, что является источником суточных и годичных ритмов. В атмосфере и биосфере Земли прослеживаются самые разнообразные суточные, лунные (месячные) и годичные периодические процессы. Особое значение для всего живого, как было установлено, имеют: суточный световой режим (изменение освещенности в течение суток и длины дня в течение года) и годичные колебания температуры, которые являются важными регуляторами суточного и годичного жизненных циклов.

  

Становление суточной ритмики у растущих организмов.

 

Суточные ритмы являются генетически  запрограммированными. Это неоднократно доказывалось прямыми и косвенными методами.

Уже в 1932г Э. Бюннинг описал гибрид фасоли, отличающийся по длине  периода циркадианного ритма.

Особенно интенсивно велись исследования на дрозофиле. Были найдены  несколько генов, связанных с  циркадианным ритмом, наиболее интересным из которых представляется так называемый период-ген который был выделен и клонирован. Последовательности, подобные период-гену дрозофилы, найдены в генетическом материале, кур, мышей и человека, а также растений. О врожденном характере циркадианных ритмов свидетельствуют также опыты, в которых животные развивались в постоянных условиях, то есть при отсутствии внешних датчиков времени наиболее убедительны результаты, полученные на птицах. На 19-й день инкубации у куриного эмбриона показано становление суточного ритма содержания гликогена, тканевого дыхания, и др. У ящериц, проходивших эмбриональное и постэмбриональное развитие в условиях исключения датчиков времени, появлялся циркадианный ритм двигательной активности.

Сроки появления суточных ритмов отличаются в зависимости от вида животных и  от изучаемой функции.

 

 

 

 

   Поскольку природа биологических ритмов недостаточно изучена, остается открытым вопрос о принципах временной организации живого, о том механизме отсчета времени, которые определяет ритмичность биологических процессов и именуется как биологические или физиологические часы. Некоторые исследователи причину ритмичности биологических процессов видят в плохо изученных и нераспознанных ритмических геофизических факторах, прежде всего в электромагнитных колебаниях и считают, что биоритмы - это результат ритмичности недостаточно изученных космических факторов, однако подавляющее большинство исследователей пришли к выводу, что биологические часы локализуются внутриклеточно. Особую значимость среди биологических ритмов для решения проблем хронобиологии и хрономедицины имеют суточные (циркадианные) ритмы, которые имеют столь же фундаментальное значение как и генетический код. Сутки в 24 часа не выдуманы человеком, природа сама тесно связала жизнь на нашей планете с движением Земли и Солнца. Этот постоянный 24-часовой ритм геофизических параметров на планете не мог не оказать могучее влияние на становление жизни и ее эволюцию (роль естественного отбора).

   “Интерес к биоритмам пробудился в течение последних десятилетий. Однако тема эта не нова. Еще в 1729 г. Де Мейран описал периодические колебания листьев некоторых растений в полной темноте. Интересно, что первое открытие явления биоцикличности сделал не биолог, а астроном., которого интересовало вращение Земли вокруг своей оси. В 1751 году К. Линней создал часы из цветов. Он разделил циферблат на секторы, которые были засажены цветами, раскрывающимися в соответствующий час. Таким образом, истоком биоритмологии является ботаника. Ч. Дарвин в 1880 г. в книге "О способности растений к движениям" указал па внутреннюю природу периодичности. Уже в конце XIX века было сделано предложение, что биоритмы в процессе эволюции развиваются. В 1925 году наш отечественный ученый Я. Пэрна опубликовал книгу "Ритмы жизни и творчества", посвященную анализу ритмических явлений в психической сфере человека. Первые два десятилетия XX века характеризовались попыткой найти неизвестный фактор "X", который, как предполагалось, является причиной периодичности физиологических процессов при постоянных условиях освещения и температуры. Признание объективной реальности биологических ритмов шло чрезвычайно медленно. Потребовалось 200 лет экспериментальных исследований, чтобы исчезли последние сомнения относительно значения эндогенных ритмов. Медики впервые обратили внимание на высокочастотные ритмы: ритмическую деятельность сердца, перистальтику кишечника, ритм температуры тела, а также на макроритмы - сезонность эпидемий. Даже несмотря на введение термометра и измерение температуры тела, исследований частоты сердечных сокращений, ритма сна и бодрствования, господствовало статическое мышление. Врачи должны были признать динамические явления в физиологии, но под этим больше представляли систему экзогенных раздражителей. В медицине и физиологии общепринятыми были незыблимые константы тех или иных функциональных показателей, а возможность ритмического феномена физиологических процессов попросту игнорировалась. “ (Губин Г. Д., 1996).

   Главный критерий здравоохранения - здоровье человека. В хронобиологическом смысле если здоровый человек - это система пронизанная биоритмами, находящимися в гармонии, взаимной синхронизации между собой и условиями внешней среды, то первым признаком нарушения здоровья является дисгармония биосистемы.

   В сложном многоклеточном  организме, задающим и координирующим  генератором ритмов является  деятельность нейрогуморальных механизмов, которые сами следуют строгому режиму. Теоретическое обоснование механизмов возникновения ритмических процессов в живых организмов на уровне нервной системы - дана в трудах Е.Е. Введенского, А.И. Ухтомского, И.П. Павлова, В.В. Парина. Ритм нервной системы определяет прежде всего ритм возбуждения и торможения, в частности, фундаментальный ритм высших организмов - сна и бодрствования, обеспечивающий функционирование всех систем организма. В основе изменения состояния эндокринной и вегетативной нервной системы лежат наиболее древние гуморальные регуляции, которые ритмично сменяются на протяжении суток. В частности подвержен ритмичности гуморальный состав электролитов внутренней среды организма, т.е. тот основной фон на котором совершаются все основные физиологические процессы, протекающие в организме. Выделяют три уровня регуляции ритмов - нейрогенный, эндокринный и внутриклеточный. Нейро-эндокринные механизмы, формирующиеся в процессе эволюции осуществляют с одной стороны, высшую степень адаптации организма к меняющимся условиям окружающей среды, а с другой - интегрирует и координирует все его функциональные системы.

   Установлено, что поступательное  развитие ритмичности биологических процессов хорошо прослеживается на примере клеток печени в процессе эволюции позвоночных. В процессе филогенетического развития позвоночных не только усиливается функциональная активность печени, но и возрастает амплитуда циркадианного ритма. Исторический подход к анализу ритмичности биологических процессов на клеточном уровне (на примере клеток печени позвоночных) показывает, что интенсивность ритмичности процессов жизнедеятельности, амплитуда ритма находится в прямой зависимости от общего уровня энергии жизнедеятельности целостного организма, степени его среднесуточной активности в соответствии с высотой организации животных. В процессе морфофизиологического прогресса (араморфоза) осуществляется не только поднятие уровня энергии жизнедеятельности и организации, но и развитие амплитуды процессов обмена веществ в течение суточного жизненного цикла. Характер сдвигов отдельных показателей внутриклеточного обмена веществ в печени у представителей различных классов позвоночных оказался одинаковым, но размер сдвигов, т.е. амплитуда изменений - признак видоспецифический, зависящий от высоты организации животного. Развитие амплитуды суточного ритма на клеточном уровне в печени позвоночных параллельно с прогрессирующим уровнем их в процессе эволюции позволяет считать суточный ритм биопроцессов признаком целесообразным, адаптивным, эволюционно приобретенным и развивающимся. Таким образом, при историческом подходе к анализу ритмичности биологических процессов становится очевидно, что ритмичность явлений жизни есть результат ритмичности геофизических факторов в условиях становления самой жизни. Ритмичность явлений жизни, синхронизированную с геофизическими ритмами, нельзя понять иначе как в результате действия естественного отбора. Под давлением отбора происходит процесс превращения внешнего во внутреннее, закрепление его в генотипе и становление так называемого эндогенного.