Биологические ритмы

1. ВВЕДЕНИЕ

При обсуждении проблемы организации биологических  систем в качестве ее основных принципов  выделяют пространственный и временной. Но пространственная организация не исчерпывает полностью специфику  живого. К структурному трехмерному  фактору добавляется четвертое измерение-время, вносящее совершенно новый, независимый, непредсказуемый элемент. Пространственную организацию живых систем изучают морфологи, а временная организация биологических систем представляет собой центральную проблему в области биологии,  получившей название хронобиологии. Основная задача хронобиологии – выяснение роли фактора времени в существовании и развитии биологических систем. К закономерностям течения времени в живых системах самое непосредственное отношение имеет особый класс периодических изменений деятельности и поведения этих систем, названных биологическими ритмами. Все живое на нашей планете несет отпечаток ритмического рисунка событий, характерного для нашей Земли. В сложной системе биоритмов, от коротких – на молекулярном уровне – с периодом в несколько секунд, до глобальных, связанным с годовыми изменениями солнечной активности живет и человек. Биологический ритм представляет собой один из важнейших инструментов исследования фактора времени в деятельности живых систем и их временной организации. В данной работе раскрываются основные проблемы учения о биологических ритмах – биоритмологии и пути их решения. Развитие биоритмологии – задача большой практической важности, имеющая отчетливое социально-экономическое звучание. Биоритмологические исследования и разработки нужны для обеспечения надежности и эффективности ночного труда, в частности, в сфере критических профессий (космонавты, летчики, операторы), для оптимизации распорядка труда и отдыха представителей различных специальностей в условиях круглосуточной работы на производстве, для установления периодов наибольшей и наименьшей поражаемости человека различными повреждающими факторами. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

2. ПОНЯТИЕ О БИОЛОГИЧЕСКИХ  РИТМАХ И БИОРИТМОЛОГИИ 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Биологические ритмы – это периодически повторяющиеся изменения интенсивности и характера процессов жизнедеятельности биологических систем. Биологические ритмы или биоритмы – это более или менее регулярные изменения характера и интенсивности биологических процессов. Способность к таким изменениям жизнедеятельности передается по наследству и обнаружена практически у всех живых организмов. Их можно наблюдать в отдельных клетках, тканях и органах, в целых организмах и в популяциях. Согласно одному из основных  принципов материалистического естествознания  – принципу   единства организма  и  среды  –  организм  не  может существовать без внешней среды.  Но  внешняя  среда,  все  сферы  мировоздания охвачены    колебательными  ритмическими   движениями. Не удивительно поэтому, что одним из неотъемлемых свойств живого является ритмичность  всех  процессов.  "Весь растительный и животный мир,  а с  ним и  человек,  извечно  и  непрестанно испытывает   на   себе   ритмические воздействия   внешнего физического мира и извечно отвечает на биение мирового пульса ритмическими пульсирующими реакциями": писал  русский социолог П. Я. Соколов. Учение о биологических ритмах в узком смысле получило название биоритмологии, которая входит в более широкую дисциплину – хронобиологию.

Выделим следующие важные достижения хронобиологии:

1. Биологические ритмы обнаружены на всех уровнях организации живой природы – от одноклеточных до биосферы. Это свидетельствует о том, что биоритмика – одно из наиболее общих свойств живых систем.

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

3. Установлено, что биологические ритмы, 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.

4. 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.

5. Обнаружены биологические ритмы чувствительности организмов к действию факторов химической (среди них лекарственные средства) и физической природы. Это стало основой для развития хронофармакологии, т.е. способов применения лекарств с учетом зависимости их действия от фаз биологических ритмов функционирования организма и от состояния его временной организации, изменяющейся при развитии болезни.

6. Закономерности биологических ритмов учитывают при профилактике, диагностике и лечении заболеваний.                                                                                                                                                  

3.ФИЗИОЛОГИЧЕСКИЕ  И ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ РИТМЫ

Биоритмы  подразделяются на физиологические и экологические. Физиологические ритмы, как правило, имеют периоды от долей секунды до нескольких минут. Это, например, ритмы давления, биения сердца и артериального давления. Имеются данные о влиянии, например, магнитного поля Земли на период и амплитуду энцефалограммы человека.

Экологические ритмы по длительности совпадают с каким-либо естественным ритмом окружающей среды. К ним относятся суточные, сезонные (годовые), приливные и лунные ритмы. Благодаря экологическим ритмам, организм ориентируется во времени и заранее готовится к ожидаемым условиям существования. Так, некоторые цветки раскрываются незадолго до рассвета, как будто зная, что скоро взойдет солнце. Многие животные еще до наступления холодов впадают в зимнюю спячку или мигрируют. Таким образом, экологические ритмы служат организму как биологические часы. Ритм – это универсальное свойство живых систем. Процессы роста и развития организма имеют ритмический характер. Ритмическим изменениям могут быть подвержены различные показатели структур биологических объектов: ориентация молекул, третичная молекулярная структура, тип кристаллизации, форма роста, концентрация ионов и т. д. Установлена зависимость суточной периодики, присущей растениям, от фазы их развития. В коре молодых побегов яблони был выявлен суточный ритм содержания биологически активного вещества флоридзина, характеристики которого менялись соответственно фазам цветения, интенсивного роста побегов и т. д. Одно из наиболее интересных проявлений биологического измерения времени – суточная периодичность открывания и закрывания цветков и растений. Каждое растение "засыпает" и "просыпается" в строго определенное время суток. Раскрытие и закрытие цветков зависит и от многих условий, например, от географического положения местности или времени восхода и заката солнца. Существуют ритмические изменения чувствительности организма к повреждающим факторам внешней среды. В опытах на животных было установлено, что чувствительность к химическим и лучевым поражениям колеблется в течение суток очень заметно: при одной и той же дозе смертность мышей в зависимости от времени суток варьировала от 0 до 10 % . Важнейшим внешним фактором, влияющим на ритмы организма, является фотопериодичность. У высших животных предполагается существование двух способов фотопериодической регуляции биологических ритмов: через органы зрения и далее через ритм двигательной активности организма и путем экстрасенсорного восприятия света. Существует несколько концепций эндогенного регулирования биологических ритмов: генетическая регуляция, регуляция с участием клеточных мембран. Большинство ученых склоняются к мнению о полигенном контроле над ритмами. Известно, что в регуляции биологических ритмов принимают участие не только ядро, но и цитоплазма клетки. 

4. ЦИРКАДИАННЫЕ РИТМЫ

времени у человека выявлено около 500 функций и процессов, имеющих циркадианную ритмику. Ритм сокращения сердца у человека, находящегося в состоянии относительного покоя, зависит от фазы циркадианного ритма. Основной земной ритм – суточный, обусловленный вращением Земли вокруг своей оси, поэтому практически все процессы в живом организме обладают суточной периодичностью. Все эти ритмы (а у человека их уже обнаружено более 100) определенным образом связаны друг с другом, образуя единую, согласованную во времени ритмическую систему организма.Эта система отражает взаимосвязанный ход околосуточных ритмов различных функций у человека, что дает врачам и физиологам ценный материал для диагностики болезней и прогнозирования состояния пациентов. Приведем некоторые типичные характеристики циркадианной системы здорового человека. Масса тела достигает максимальных значений в 18-19 часов, температура тела – в 16-18 часов, частота сердечных сокращений – в 15-16 часов, частота дыхания – в 13-16 часов, гистологическое артериальное давление – в 15-18 часов, уровень эритроцитов в крови – в 11-12 часов, лейкоцитов – в 21-23 часа, гормонов в плазме крови – в 10-12 часов, инсулина – в 18 , общего белка крови – в 17-19 часов. Оценивая данную схему, следует указать на значительные индивидуальные отличия в ходе суточных ритмов, что делает необходимым дальнейшее исследование понятий "биоритмическая норма " и "биоритмическая индивидуальность", Нарушения ритма сна и бодрствования может привести не только к бессоннице, но и к расстройству сердечно – сосудистой, дыхательной и пищеварительной систем. Поэтому так важно соблюдать режим дня. Биоритмы интенсивно исследуются специалистами в области космической биологии и медицины, так как при освоении новых планет космонавты будут полностью лишены обычных ритмов среды. Как уже отмечалось, реакция организма на любые воздействия зависит от фазы циркадианного ритма (т.е. от времени суток). Знание этой закономерности дало возможность сформулировать принципы хронофармакологии, хронодиагностики и хронотерапии. Основу их составляет положение о том, что одно и то же средство в разные часы суток оказывает на организм различное, иногда прямо противоположное воздействие.С этих позиций пропись " По одной таблетке 3 раза в день" недостаточна: необходимо увязывать дозу препарата с конкретным временем его приема.Например, эффективность строфантина, широко применяемого в кардиологии дляулучшения насосной функции миокарда, изменяется в зависимости от времени суток, у некоторых пациентов – чуть ли не в 4 раза. Стало быть, если для достижения определенного эффекта в утренние часы достаточно половины дозы строфантина, то поздним вечером для того же эффекта нужны 2 дозы. Данные об онтогенезе биоритмов используются в возрастной физиологии, в гигиене детей и подростков. Установлено, что строгое соблюдение режима кормления новорожденного ребенка ускоряет становление у него циркадианной ритмичности. При дефиците внимания со стороны матери ритмы сна-бодрствования у младенца становятся менее регулярными. В целом циркадианная система человека формируется вплоть до периода полового созревания. Старение же представляется биоритмологам как постепенная утрата ритмов. Отсутствие биоритмов не совместимо с жизнью.

5.БИОРИМОЛОГИЧЕСКАЯ АДАПТАЦИЯ

Изучение  адаптивных возможностей и закономерностей  адаптации человека – одна из важнейших проблем биоритмологии и практической медицины. С позиций учения о биоритмах, адаптация – это временное согласование функционального состояния организма и условий окружающей среды. Известный канадский физиолог  Г. Селье, создатель учения о стрессе (или общем адаптационном синдроме), выделял в адаптационном процессе три стадии : тревоги, резистентности и истощения. Вначале, при нарушении синхронизации биоритмов организма и датчиков времени (астрономических, географических и социальных) возникает ситуация внешнего десинхроноза. Это бывает при трансмеридиальных перелетах с быстрым пересечением нескольких часовых поясов, а также при сменной работе. Ситуация внешнего десинхроноза вызывает состояние десинхроноза внутреннего, которое соответствует стадии тревоги. Заключается оно в рассогласовании циркадианных ритмов разных функций. В результате возникают такие неблагоприятные симптомы, как нарушение сна, ухудшение самочувствия и настроения, невротические расстройства. При этом падает работоспособность, снижается иммунитет, обостряются хронические заболевания. Затем, через какой-то промежуток времени стадия тревоги купируется. Ритмы различных функций вновь приходят в фазовые соотношения, присущие устойчивой норме, причем весь ансамбль ритмов хорошо согласуется и с внешними датчиками времени. Это стадия резистентности. Если она не наступает, то ритмы разлаживаются, возникает полный десинхроз – аритмический хаос, который несовместим с жизнью. Поэтому стадия истощения может закончиться летальным исходом. Слаженность всей системы циркадианнных ритмов рассматривается как наиболее чуткий индикатор общего функционального состояния организма. Десинхроноз следует признать вредным для здоровья и профессионального долголетия тех, кто по долгу службы систематически вынужден нарушать суточный ритм сна- бодрствования. Французские медики, обследовавшие летчиков, выявили, что лица, занятые на маршрутах трансмеридиальных, существенно больше подвержены язвенной болезни и гастритам, чем те, кто летает вдоль меридианов. Нерегулярность ритма работы и частая ломка суточного стереотипа держат организм в стадии тревоги, которая не успевает переходить в стадию резистентности. Ведь из-за различной инерционности ритмов разных функций для синхронизации их требуется довольно длительное время. Если, например, москвич прилетел на Дальний Восток, то циркадианные ритмы перестраиваются у него на новый распорядок дня уже через 3-5 дней. Однако для нормализации ритма содержания калия требуется 2-3 недели. А циркадианный ритм содержания в крови биогенных аминов перестроится с московского на Владивостокское время только через 3-4 месяца. И все это время человек будет находиться в состоянии внутреннего десинхроноза, когда его резервные возможности снижены. Неслучайно американские бизнесмены, прибывающие в Европу, первые 2-3 суток стараются избегать участия в серьезных сделках, чтобы не принять неправильных решений, а дают себе время для биоритмической адаптации. Особенного развития прикладная биология достигла в сфере авиационно-космической медицины. Программы пилотируемых космических полетов составляются на основе учета биоритмов космонавтов. Причем работы намечаются для членов экипажа сообразно их биоритмическому типу – утреннему ("жаворонок"), промежуточному ("голубь") или вечернему ("сова"). Как известно, человечество делится по принадлежности к этим типом в отношении 15:50:35. Биоритмы организма – суточные, месячные, годовые – практически остались неизменными с первобытных времен и не могут угнаться за ритмами современной жизни. У каждого человека в течение суток четко прослеживаются пики и спады важнейших жизненных систем. Важнейшие биоритмы могут быть зафиксированы в хронограммах. Основными показателями в них служат температура тела, пульс, частота дыхания в покое и другие показатели, которые можно определить только при помощи специалистов. Знание нормальной индивидуальной хронограммы позволяет выявить опасности заболевания, организовать свою деятельность в соответствии с возможностями организма, избежать срывов в его работе. Изучение десинхронизирующих эффектов дальних перемещений стало актуальной медико-биологической проблемой лишь в современную эпоху, когда появилась возможность в считанные часы пересечь несколько часовых поясов или перелететь из тропиков за Полярный круг. Перелет в широтном направлении вызывает резкий сдвиг фаз социальных и геофизических синхронизаторов по отношению к фазам ритмов организма.  

6. ВЛИЯНИЕ ГЕОГРАФИЧЕСКИХ           ПЕРЕМЕЩЕНИЙ НА ФУНКЦИИ        ОРГАНИЗМА ЧЕЛОВЕКА

          6.1 Влияние тропической (юмидной) зоны на организм человека

Температура в сочетании с большой влажностью воздуха в тропиках ставит организм человека в крайне неблагоприятные условия теплообмена. «Вверху над лесом стоит как бы туман. Воздух влажный, теплый, трудно дышать, как в бане в парном отделении. Это не палящая жара тропической пустыни. Температура воздуха +26 °C, самое большее +30 °C, но во влажном воздухе почти нет охлаждающего испарения, нет и освежающего ветерка. Томительный зной не спадает в течение всей ночи, не давая человеку отдыха», – писал А. Уоллес. У неадаптированного человека в тропиках отмечается падение артериального давления, увеличение частоты сердечных сокращений. Возрастание пульса, связанное с повышением температуры тела, приводит к значительному увеличению минутного объема крови.Система дыхания реагирует на тропические условия непроизвольной гипервентиляцией и сопутствующей ей гипокапнией. В результате в организме развивается дыхательный алкалоз. Функция органов пищеварения теснейшим образом связана с состоянием теплового баланса. В связи с этим в тропиках существенно изменяются секреторная, всасывательная и моторно-эвакуаторная деятельность желудочно-кишечного тракта. Действительно, широко известно, что у людей, впервые прибывших из европейских стран в тропики, ухудшается аппетит, пропадает желание принимать пищу животного происхождения. Это явление связывают либо со снижением секреции соляной кислоты и пепсина желудочными железами, либо с уменьшением потребности организма в высококалорийных продуктах из-за снижения обмена веществ. Считают также, что в условиях тропиков наблюдается атония двигательного аппарата желудочно-кишечного тракта, которая также приводит к ухудшению аппетита. Кроме того, происходит значительное перераспределение крови, в результате часть крови переходит к подкожным сосудам, а кровоснабжение внутренних органов резко снижается. Все это приводит к уменьшению секреции желудочного и панкреатического соков и желчи. Многочисленные исследования показали, что у человека в условиях тропиков основной и энергетический обмен понижен. Уровень основного обмена в значительной степени зависит от условий питания, в частности от потребления белков. Полагают, что адаптивные изменения основного и энергетического обмена обусловлены гормональными сдвигами, преимущественно снижением активности щитовидной железы.