Биологические ритмы

    Изменение ритмов, выходящее за пределы нормы, либо появление их там, где они  раньше не обнаруживались, связано  с болезнью.

    Физиологические ритмы являются одной из основных форм проявления жизнедеятельности, они  наблюдаются у всех живых организмов и на всех уровнях организации  живой материи — от субклеточных структур до целостного организма. Как  правило, они не являются строго периодическими колебаниями: в определенных пределах меняется их период, амплитуда, форма, уровень. Примером их могут служить  записи некоторых физиологических  ритмов у человека: электрокардиограмма, сфигмограмма сонной артерии, сейсмокардиограмма, пневмограмма, электроэнцефалограмма, суточная периодика частоты дыхания, суточная периодика экскреции калия с мочой.

Адаптивные  физиологические  ритмы: циркадные  и сезонные

    Наиболее  близки к периодическим колебаниям физиологические ритмы, которые  возникают при усвоении организмом ритмичных внешних сигналов (например, световых мельканий), различные адаптивные ритмы.

    Физиологические ритмы характеризуются широким  спектром частот; их период варьируется  от десятитысячных долей секунды  до нескольких лет. Часто один и тот  же показатель одновременно участвует  в нескольких видах колебательных  изменений (например, пульсовые, дыхательные  и суточные изменения артериального  давления, волны различной частоты  на ЭЭГ). Характерные для одной  системы ритмы могут передаваться другой (Например, изменения частоты  сердечных сокращений в ритме  дыхания). Физиологические ритмы  могут быть замаскированы апериодическими  колебаниями исследуемого показателя (шумами) и другими ритмическими колебаниями, форма их часто бывает сложной. Поэтому разработаны специальные  методы анализа, позволяющие выявлять и изучать скрытую периодичность  физиологических процессов (гармонический  анализ, автокорреляционный анализ, скользящее суммирование и др.).

    Большинство физиологических ритмов связано  с чередованием различных функциональных состояний соответствующих систем (например, сокращение и расслабление мускулатуры, сон и бодрствование). Поэтому в различные фазы колебательного процесса отмечается разная реакция  на внешние воздействия: разное направление  смещения фазы суточного цикла при  действии датчика времени в различные  его моменты, отсутствие реакции  на раздражение в рефракторный период и т. п.

    Адаптивные  физиологические ритмы выработались в процессе эволюции как форма  приспособления организмов к циклически меняющимся условиям среды. Наиболее изучены  околосуточные (циркадные) ритмы, которые  отражают периодичность геофизических  факторов, обусловленную вращением  Земли вокруг своей оси. В течение  суток закономерно изменяется, прежде всего, естественное освещение. Суточным колебаниям подвержены цикл день –  ночь, температура и влажность  воздуха, напряженность электрического и магнитного поля Земли, потоки разнообразных  космических факторов, падающих на Землю в конкретный временной  цикл. Под влиянием этих внешних  факторов совершалась эволюция всех форм жизни на Земле, колебания их в настоящее время, как и миллионы лет назад, играют жизненно важную роль для всех без исключения обитателей Земли. Например, для дневных животных восход Солнца — сигнал для активной деятельности: добывания пищи, строительства  жилья, выращивания потомства, а  с наступлением темноты активизируются животные, ведущие ночной образ жизни. И все животные «подстраиваются» к этому суточному ритму. А  кто не сможет «вписаться» в этот режим, заданный природой, погибают. Для  выживания любой организм должен соизмерить свой ритм с внешними ритмами. Адаптация конкретного организма  или видовая адаптация к внешним  условиям в широком биологическом  смысле — это синхронизация жизненных  процессов (ритмов) организма или  целой популяции с внешними ритмами, таким образом, циркадная периодичность  жизненных функций является врожденным свойством.

    Спонтанные  циркадные ритмы обнаружены едва ли не у каждого вида живых существ. Возможное исключение составляют обитатели  океанских глубин и подземных  пещер, а также прокариоты (бактерии и сине-зеленые водоросли, клетки которых не имеют оформленного ядра и митохондрий).

    Циркадные колебания обычно наблюдаются у  более организованных одноклеточных  организмов и в изолированных  тканях многоклеточных организмов, тем  не менее, и у позвоночных, и у  беспозвоночных животных часть нервной  системы обычно играет роль циркадного ритмоводителя для всего организма. Мишель Менакер с сотрудниками показал, что у некоторых птиц эту функцию выполняет эпифиз, ритмично выделяющий в мозге гормон мелатонин. Деятельность эпифиза регулируется светом, проникающим сквозь теменную часть черепа. У воробья даже удается сдвинуть фазу циркадного ритма, пересадив ему эпифиз птицы, живущей в иной временной зоне.

    У грызунов эпифиз выделяет мелатонин  тоже ритмично, но под контролем  двух скоплений нейросекреторных клеток — супрахиазменных ядер, расположенных слева и справа в гипоталамусе, над перекрестием зрительного нерва. Информация о свете и темноте идет от глаз. Ежедневные порции мелатонина синхронизируют циркадные колебания. У обезьян подобную роль играют супрахиазменнне ядра. У людей с травмами в этой области гипоталамуса наблюдается расстройство ритма, что позволяет предполагать сходную роль супрахиазменных ядер и у человека. Фазу ритмов этих ядер можно сдвинуть светом через зрение, электрическим раздражителем, инъекцией в мозг аналога нейромедиаторов, вызывающих нормальные разряды нейронов, а также мелатонином. Секреция эпифизом мелатонина стимулируется психомиметиками (ЛСД, мескалин, кокаин) и подавляется препаратами, используемыми для лечения психозов.

    Недавно выяснилось, что антидепрессант бензодиазепин подстраивает фазу циркадных часов у грызунов, действуя на нейромедиаторы в супрахиазменных ядрах гипоталамуса. Это указывает на некую связь между психическими заболеваниями и расстройствами циркадных ритмов, особенно между депрессией и нарушением сна. Человеку для подавления секреции мелатонина требуется гораздо больше света, чем другим млекопитающим. Если бы циркадные ритмы человека реагировали на тусклое освещение, они должны были бы быть в постоянном разладе и люди, помимо других проблем, постоянно испытывали бы дополнительный стресс.

    Для организма человека характерно повышение  в дневные и снижение в ночные часы физиологических функций, обеспечивающих его физическую активность (частоты  сердечных сокращений, минутного  объема крови, артериального давления, температуры тела, потребления кислорода, содержания сахара в крови, физической и умственной работоспособности  и др.). В обычных условиях наблюдаются  определенные соотношения между  фазами отдельных околосуточных  ритмов. Поддержание постоянства  этих соотношений обеспечивает согласование функций организма во времени, обозначаемое как внутреннее согласование. Помимо этого, под действием меняющихся с суточной периодичностью факторов среды (синхронизаторов, или датчиков времени) происходит внешнее согласование циркадных ритмов. Различают первичные (имеющие основное значение) и вторичные (менее значимые) синхронизаторы. У  животных и растений первичным синхронизатором  служит, как правило, солнечный свет, у человека им становятся также социальные факторы.

    Динамика  околосуточных физиологических  ритмов у человека и высших животных обусловлена не только врожденными  механизмами, но и выработанным в  течение жизни суточным стереотипом  деятельности. Имеющиеся данные о  возможности рассогласования по частоте отдельных циркадных  ритмов дают возможность предположить существование целого ряда относительно независимых осцилляторов, каждый из которых регулирует ритм определенной, широко разветвленной функциональной системы. В многоклеточных организмах центральные регуляторы не возбуждают колебаний в периферических тканях, а только синхронизируют присущие каждой клетке организма циркадные ритмы  по частоте и фазе. Регуляция физиологических  ритмов у высших животных и человека осуществляется в основном гипоталамо-гипофизарной системой.

    Циркадный механизм не универсален. Он различается  в зависимости от биологического вида или даже от типа клеток у одного организма. Полагают, что циркадный  механизм замыкается именно на уровне клетки в отличие, например, от менструального цикла, включающего нервные и  эндокринные взаимодействия многих тканей. Клеточные механизмы можно  изучать методами биохимии и генной инженерии. Существует множество биохимических  способов воздействия на работу циркадных  часов. Сначала использовались преимущественно  световые импульсы. Так, для дрозофилы  постоянного освещения — даже на уровне света неполной Луны —  достаточно, чтобы остановить ход  часов. При этом свет действует опосредованно, а не прямо на молекулы колебательного механизма.

    У большинства циркадных ритмов период почти совсем не зависит от уровня температуры, если только она остается в физиологически допустимых пределах. Более того, циркадные часы в отличие  от подлинных независимых (по температуре) систем не защищены от перепадов температуры: малейшее изменение последней способно сдвинуть их фазу. Помимо света и перепадов температуры на период влияют многие химические вещества, изменяющие проницаемость мембран и нарушающие синтез белка. Их кратковременное введение приводит к сдвигу фазы. Однако затрагиваемые при этом процессы многочисленны и многообразны, и не ясно, чем может быть опосредовано их влияние на ход часов. Вероятно, ни сам АТФ, ни процесс его синтеза и распада не являются деталями механизма часов. То же можно сказать и о синтезе белков.

    В другую очень важную группу биологических  ритмов, имеющих огромное значение для высших и низших организмов, входят сезонные (околосезонные), годичные ритмы, обусловленные вращением Земли вокруг Солнца. Сезонные изменения растительного покрова Земли, миграция птиц, зимняя спячка ряда видов животных — это примеры ритмов с годичным периодом. Сезонные колебания жизненных функций характерны и для человека. Так, в регионах с сезонными контрастами климата интенсивность обмена веществ выше зимой, чем летом. Холод является адекватным стимулятором функции щитовидной железы. Артериальное давление, количество эритроцитов, гемоглобина обычно ниже в жаркое время года. Весной и летом у большинства людей работоспособность выше, чем зимой. Пик выдающихся спортивных достижений приходится на весенне-летний и ранний осенний периоды. Хорошо известно волнообразное течение многих заболеваний, при котором периоды обострения сменяются длительными ремиссиями: так, туберкулез чаще обостряется весной, а язвенная болезнь желудка и двенадцатиперстной кишки — весной и осенью. В осенне-зимний и весенний периоды выявляют наибольшее число первичных больных инсулинозависимых сахарным диабетом.

    Сезонные  колебания физиологических показателей  у многих теплокровных в определенной мере повторяют суточные: в зимний период отмечается понижение обмена и двигательной активности, в весенне-летний — активизация физиологических  процессов.

Концепция трех ритмов: современный  взгляд

    Известный терапевт М. Н. Кончаловокий еще в 1935 г. писал: «Если пристальнее всмотреться в эволюцию и течение болезней, то очень часто можно заметить волнообразное течение, т. е. приступы, пароксизмы, кризы, которые сменяются относительным покоем, когда видимые признаки уходят, и больной чувствует себя относительно хорошо и нередко даже обращается к труду... Врачи, подобно морякам, которые знают о периодически наступающих бурях при равноденствиях, должны знать, что болезни имеют волнообразное течение, что окончание приступа и криза не есть окончание болезни, что ремиссия — это временная передышка, а не выздоровление». Как точно, образно и глубоко звучит эта фраза и для современной медицины! Хорошо известна периодичность эпидемий, и глубоко изучены истоки и генезис этой ритмичности.

    Австрийский психолог Герман Свобода, немецкий врач Вильгельм Фисс и австрийский инженер Альфред Тельчер в конце XIX – начале XX века создали известную концепцию о трех ритмах, согласно которой человеку присущи особые ритмы: 23-суточный (физический), 28-суточный (эмоциональный) и 33-суточный (интеллектуальный). Отношение к данной концепции довольно неоднозначное.

    Суть  концепции заключается в следующем: Все три ритма возникают одновременно в момент рождения или же в момент самого зачатия — образования  зиготы. Все три ритма имеют  строго синусоидальную форму, не изменяющуюся на протяжении всей жизни человека, и, следовательно, неизменную частоту, т. е. длительность периода.

    Положительная часть каждой синусоиды (полуволна, расположенная выше так называемой нулевой линии, горизонтали, проведенной  по середине между максимумами и  минимумами) соответствует периодам подъема физической, эмоциональной  и умственной активности, а отрицательная  её часть (полуволна, расположенная  ниже указанной горизонтали) характеризуется  периодом упадка, снижения этих видов  активности. В дни подъема физических сил спортсмены достигают максимальных результатов, в дни спада результаты минимальные. Аналогичное волнообразное  течение претерпевает эмоциональный  и интеллектуальный потенциал человека. В положительной полуволне эмоционального ритма господствуют оптимистические  настроения, чувство уверенности  в себе, мир представляется прекрасным; в отрицательной полуволне эмоциональная  жизнь смещается в минорную фазу.