Биологические ритмы

Биологические ритмы

Биологические ритмы

периодически  повторяющиеся изменения характера  и интенсивности биологических  процессов и явлений; свойственны  живой материи на всех уровнях  ее организации — от молекулярных и субклеточных до биосферы.

Временную организацию  биологических систем, роль фактора  времени в осуществлении биологических  явлений и в поведении живых  систем, природу, условия возникновения  и значение Б. р. для организмов изучает  биоритмология — одно из направлений  сформировавшегося в 60-е гг. раздела  биологии — хронобиологии. На стыке  биоритмологии и клинической  медицины находится так называемая хрономедицина, изучающая взаимосвязи  Б. р. с течением различных заболеваний, разрабатывающая рациональные схемы  лечения и профилактики болезней с учетом Б. р. и исследующая другие медицинские аспекты Б. р. и их нарушений.

Адаптация организмов к окружающей среде в процессе эволюционного развития шла в  направлении как совершенствования  их структурной организации, так  и согласования во времени и пространстве деятельности различных функциональных систем. Исключительная стабильность периодичности изменения освещенности, температуры, влажности, геомагнитного  поля и других параметров окружающей среды, обусловленных движением  Земли и Луны вокруг Солнца, позволила  живым системам в процессе эволюции выработать стабильные и устойчивые к внешним воздействиям временные  программы, проявлением которых  служат Б. р. Полагают, что такие ритмы, обозначаемые иногда как экологические, или адаптивные (такие, как суточные, приливные, лунные и годовые), закреплены в генетической структуре. В искусственных  условиях (например, при непрерывном  освещении или темноте) периоды  таких ритмов отклоняются от периодов соответствующих ритмов окружающей среды, проявляя тем самым свой собственный  период.

Для обозначения  ритмов, которые синхронны с ритмами  среды, употребляют термины циркадианный (околосуточный), циркатидальный (околоприливный), циркалунарный (окололунный), циркааннуальный (окологодовой).

Для описания ритма используют следующие параметры: период или частоту (количество колебаний  в единицу времени), амплитуду  — максимальное отклонение от средней, фазу — положительную или отрицательную, акрофазу — время максимального  отклонения.

Выделяют ритмы высокой, средней и низкой частоты. Высокочастотные ритмы включают Б. р. с периодом от долей секунды до 30 мин. К ним относят ритмы электрической активности головного мозга, мышц, сердца, ритм дыхательных движений. Регистрация высокочастотных ритмов органов и тканей — электроэнцефалография, электрокардиография, электромиография и др. — широко используется при диагностике различных заболеваний и оценке функционального состояния соответствующих органов и систем.

Б. р. средней  частоты включают ритмы с периодом от 30 мин до 6 сут. В этой группе различают: ультрадианные ритмы (период от 30 мин до 20 ч), среди которых наиболее известны ритмы с периодом около 90 мин — ритмы чередования активности и покоя у новорожденных, чередования фаз медленного и быстрого сна, общей двигательной активности, экскреторной функции почек; циркадианные (период 20—28 ч), к которым относят изменения температуры тела, частоты сердечных сокращений, величины АД, степени работоспособности на протяжении суток.

Группу Б. р. низкой частоты составляют околонедельные, околомесячные, окологодовые и многолетние  ритмы. Околонедельному ритму подчиняется  ритм выделения с мочой ряда физиологически активных соединений, например 17-кетостероидов  и эстрона, околомесячному — овариально-менструальный  цикл у женщин. Окологодовые и многолетние  ритмы выявляют при анализе заболеваемости, рождаемости, продолжительности сна, показателей иммунитета, роста и  развития детей и т.д. Выраженность годовых (сезонных) ритмов нарастает  по мере увеличения географической широты и отчетливо проявляется у  организмов, населяющих умеренные и  полярные зоны, где сезонные различия наиболее отчетливы.

Ритмический характер изменения ряда функций  не обнаруживается в первое время  после рождения и формируется  лишь спустя некоторый период. Так, суточный ритм сна и бодрствования  появляется на втором месяце жизни, ритм кортикостероидов в плазме крови  иногда отсутствует до двухлетнего  возраста. Становление ритмов может  продолжаться вплоть до периода полового созревания. Время появления ритмичности  зависит от уровня зрелости новорожденного. У недоношенных детей ритмичность  формируется значительно позже  по сравнению с родившимися в  срок. Ведущими датчиками времени, с  которыми сталкивается новорожденный, являются уход и кормление. Изменения  параметров Б. р. по мере старения ограничиваются в основном изменением амплитуды  ритмов, вплоть до исчезновения некоторых  из них (например, ритм экскреции гормона  роста, тестостерона, лютеинизирующего гормона). Следствием смещения фаз ритмов в процессе старения являются увеличение доли дневного сна, увеличение частоты  прерывания ночного сна, раннее пробуждение.

Наиболее изучен циркадианный (околосуточный) Б. р. Экспериментальные  и клинические данные дают основание  полагать, что состояние этого  ритма является универсальным критерием  общего состояния организма. Установлены  циркадианные колебания более 300 физиологических  функций организма человека. Эти  исследования позволили разработать  и составить «циркадианную систему  человека». Согласно этой системе, масса  тела является максимальной в 18—19 ч, частота сердечных сокращений — в 15—16 ч. частота дыхания — в 13—16 ч, систолическое артериальное давление — в 15—18 ч, уровень эритроцитов в крови — в 11—12 ч, лейкоцитов — в 21—23 ч, гормонов в плазме крови (АКТГ, кортизол, 17-гидроксикортикостерон), циклического аденозинмонофосфата — в 8—12 ч, инсулина, ренина — в 18 ч, тестостерона — в 8—9 ч, тироксина — в 14—15 ч, общего белка крови — в 17—19 ч, фибриногена —в 18 ч, билирубина (общего) — в 10 ч, трансаминазы — в 8—9 ч, холестерина — в 18 ч, азота мочевины — в 22—23 ч. Утром замедляются, а вечером ускоряются психические процессы. В свою очередь, на ритмы физиологических и психических функций влияют смены сна и бодрствования, активности и покоя. Параметры суточной кривой работоспособности в период бодрствования (фаза, амплитуда, акро-фаза) зависят от множества факторов: типа личности, общей обстановки, приема пищи, уровня мотивации и т.д.

Циркадианная  система включает множество отдельных  подсистем, каждая из которых, вероятно, способна самостоятельно, независимо от других подсистем периодически изменяться. Формирование единой циркадианной системы  обеспечивается, с одной стороны, за счет четкой внутренней упорядоченности  фазовых соотношений составляющих ее ритмов, с другой — за счет синхронизирующего  действия внешних датчиков времени. По мнению большинства исследователей, регуляцию ритмов циркадианной системы  обеспечивает гипоталамо-гипофизарная система. При высокой степени  сопряженности подсистем для  синхронизации всей системы в  целом не обязателен внешний датчик времени. Врожденная программа временной упорядоченности функций в процессе развития организма модифицируется в направлении приспособления к временному профилю среды. Способность «предсказывать» время суток позволяет организму опережающе предвидеть требования к гомеостатическим системам и заранее подключать для получения приспособительного результата те эффекторы, включение которых в ответную реакцию требует значительного времени. например, при нормальном сне температура тела и содержание кортикостероидов в плазме начинают повышаться задолго до окончания сна и пробуждение может наступить раньше, чем будет включен свет. Считают, что упорядоченность функций во времени позволяет организму разделять не только в пространстве, но и во времени несовместимые процессы, использовать одни и те же структуры, требующие в разное время различных локальных значений биохимических или физико-химических показателей (например, рН). Примерами высокоскоординированных во времени систем могут быть гипоталамо-гипофизарно-тиреоидная система, гипоталамо-гипофизарно-надпочечниковая система, система поддержания оптимальной концентрации калия в плазме и межклеточном пространстве.

Нарушение временной  упорядоченности ритмов биологической  системы обозначают термином десинхроноз. Изучение механизмов возникновения  десинхроноза имеет большое значение при организации режимов труда  и отдыха у представителей различных  специальностей, при проведении профилактических мероприятий с целью охраны здоровья. Десинхроноз может возникать  как результат фазового рассогласования  между ритмами биологической  системы и теми периодическими изменениями  в окружающей среде, которые для  организма выступают как датчики  времени (внешнеобусловленный десинхроноз, внешний десинхроноз), либо вследствие нарушения координации между  ритмами в самой системе. Внешний  десинхроноз можно наблюдать  у лиц, совершивших перелет через 4—5 часовых поясов, у космонавтов  во время космических полетов, при  смене дневного режима работы на ночной. Выраженность десинхроноза зависит  от индивидуальных особенностей, возраста, характера датчиков времени. Синхронизация  ритмов организма с новыми датчиками  времени происходит постепенно с  приблизительной скоростью 1—2 ч в сутки и быстрее протекает у лиц моложе 30 лет. При перелете в западном направлении перестройка ритмов протекает в среднем быстрее, чем при перелетах в восточном направлении. Внешний десинхроноз, как правило, ведет к развитию внутреннего. Внутренний десинхроноз (выраженный или компенсированный) можно наблюдать также как следствие стрессовой реакции. Так, например, при воспалении легких, бронхиальной астме, гипертонической болезни, язвенной болезни желудка и ряде других заболеваний максимум экскреции кортикостероидов смещается с утренних часов на вечерние и ночные. Считают, что нарушение временной упорядоченности функций усугубляет течение болезни и является неблагоприятным прогностическим признаком. Существует мнение, что внутренний десинхроноз может, особенно в психиатрии, выступать как причина патологического состояния.

Лечение многих заболеваний должно строиться с  учетом Б. р. Хронобиологи предложили, например, лечить расстройства сна  следующим образом. Людей, страдающих бессонницей по ночам и с трудом борющихся со сном в дневное время, изолируют в помещении, где надежно  отключены все датчики земного  времени. В таких условиях ежедневно  «передвигают» время отхода ко сну  на три часа вперед. Эта хронотерапия продолжается в течение недели до тех пор, пока время отхода ко сну  не совпадет со временем отхода ко сну  у здоровых людей. При бронхиальной астме хронобиологи предложили проводить  лечебные мероприятия в тот момент, когда ряд показателей, характеризующих  работу дыхательной системы, находится на самом низком уровне в течение суточного цикла. Это определяется после круглосуточной регистрации ритмов работы органов дыхания. Такая лечебная тактика увеличивает в 3 раза число очень хороших результатов и сводит к минимуму случаи недостаточной эффективности лечения.

Проблема рационального  применения фармакологических средств  у человека обусловила формирование нового направления — хроно-фармакологии, которая изучает действие лекарственных  препаратов как функцию биологического времени, разрабатывает рекомендации о динамических дозах лекарств и  их комбинаций, оптимального времени  их введения.

Так, например, наибольший диуретический эффект фуросемида возможен при приеме его в 10 ч, максимальное выведение с мочой калия — при приеме в 17 ч, натрия — в 13 ч. Гипогликемический эффект от введения инсулина больше всего выражен в 8—13 ч. Анализ суточного содержания гистамина в организме показал, что наибольшая его концентрация отмечается в 21—24 часа. Это объясняет повышенную чувствительность аллергиков к антибиотикам, гистамину, домашней пыли именно в вечернее время. Поэтому антигистаминные препараты рекомендуется давать пациентам в вечерние часы, чтобы предупредить нежелательные аллергические реакции. При вечерних суставных болях, вызванных ревматоидным артритом, наибольший аналгезирующий эффект дает утренний (8 ч) или полуденный (12 ч) прием индометацина, а при ночных болях этот препарат целесообразнее назначать вечером (19 ч).

Общепринятым  стало применение различных гормонов по схемам, разработанным хронобиологами. Так, гормональные препараты рекомендуется  назначать в те часы, когда потребность  организма в этих веществах максимальна, стимулируя таким образом работу и собственных желез внутренней секреции. Лечение, проводимое по такой  схеме, оказывается наиболее эффективным, а дозы гормональных препаратов минимальными. Наибольшая частота гипертонических  кризов наблюдается, как правило, в  вечерние и ночные часы, а большая  часть больных с выраженной ишемической  болезнью сердца приспосабливается  к физической нагрузке хуже всего  в утренние часы, что следует учитывать, назначая лечебно-профилактические мероприятия (например, повышая дозы в критические  для обострения заболевания часы).

Учение о  Б. р. обосновывает рациональность постоянного  распорядка дня, с определенными  часами для сна, работы, отдыха. Ритмичным, соответствующим правильному индивидуальному  графику должен быть и прием пищи. Так, если принимать пищу общей калорийностью 2000 ккал только по утрам, то наблюдается снижение веса. Если та же пища принимается в вечерние часы, вес увеличивается. Для того чтобы сохранить постоянный вес тела, достигнутый к 20—25 годам, пищу следует принимать 4—5 раз в день в точном соответствии с индивидуальными суточными затратами энергии и в те часы, когда появляется заметное чувство голода.

Строгий распорядок дня предполагает, как правило, и  преодоление импульсов ко сну  или дремоте в период бодрствования, т. к. самые короткие периоды сна  или дремоты у многих людей  могут нарушить ночной сон. Вместе с  тем это правили не следует  распространять на тех, для кого дневной  или вечерний отдых — сон необходим  и не нарушает ночного сна.

В циркадианном Б. р. меняется и работоспособность  человека. Обычно она имеет два  подъема: с 10 до 12 ч и с 16 до 18 ч. Ночью работоспособность понижается, особенно в интервале от 1 до 3 часов ночи. У лиц, занятых в ночную смену, определяются различные изменения в функциональном состоянии организма. В одних случаях работа протекает на сниженном уровне вегетативных функций, соответствующем этой фазе циркадианного ритма, в других — уровень вегетативных показателей близок к их уровню днем и, следовательно, происходит обусловленная работой перестройка циркадианного ритма. Второй тип реакции обнаруживается, как правило, при более напряженной работе, сопровождается меньшими признаками утомления и чаще наблюдается у лиц с большим стажем работы в сменном производстве.

При работе в  разные смены имеются серьезные  трудности в организации полноценного отдыха после работы. Это связано  прежде всего с необходимостью отдыхать и спать в другие часы, чем остальные  члены семьи, друзья, знакомые. В  этом случае желательны изолированное  помещение для сна, а также  возможность регулярно и своевременно принимать пищу. Причем горячая пища нужна также в рабочие часы (при перерыве во время ночной смены).

Ритмические колебания работоспособности менее  стереотипны и чаще изменяются, чем  ритм вегетативных функций. Однако частые изменения рабочих смен вызывают невротические расстройства, снижают  удовлетворенность трудом и т.п. Около 20% людей вообще не могут приспособиться к сменному графику работы, а у  остальных для полной адаптации  к преимущественно ночной смене  требуется больше года сменного труда. Специально разработанные режимы труда  и отдыха помогают сохранить в  течение длительного времени  высокую работоспособность.