Биологическое время. Биологические часы организма человека

На возможность возникновения для сложной системы внутреннего времени обращал внимание и И.Р. Пригожин: в случае самоорганизации каждая такая система координирует свой внутренние процессы в соответствии с собственным временем. Пригожин назвал это релятивизмом системного времени и отмечал, что, как только формируется диссипативная структура, однородность пространства и времени нарушается. Более того, он считал, что живые системы наделены способностью ощущать направление времени. Эту направленность времени отмечает также психология. Мы помним прошлое, но не помним будущего!

Биологические пространство и время характеризуют особенности пространственно - временных параметров организации материи: биологического бытия человеческого индивидуума, смену видов растительности и животных, фазы их развития. Еще Аристотель различал две сущности времени: одну - как параметр, фиксирующий различные состояния движения тел, и другую - как рождение и гибель, т.е. как характеристику возраста системы и, следовательно, направленности его от прошлого к будущему.

Наряду с линейным восприятием времени у человека возникает психологическое ощущение хода времени, обусловленное в том числе его внутренней организацией. Такое представление называют биологическим временем, или биологическими часами. Биологические часы отражают ритмический характер процессов в живом организме в виде его реакции на ритмы природы и в целом всей Вселенной. Появление биологического времени, своего для каждой живой системы, обусловлено синхронизацией биохимических процессов в организме.

Поскольку живой организм является иерархической системой, то он должен соразмерять ее функционирование с синхронизацией всех подуровней и подсистем не только во времени, но и в биологическом пространстве. Такая синхронизация связана с наличием биоритмов в системе. Чем сложнее система, тем больше у нее биоритмов. Американский кибернетик Н. Виннер (1894-1964) считал, что «именно ритмы головного мозга объясняют нашу способность чувствовать время».

Большинство физиологических процессов роста, развития, движения и обмена веществ в клетках подвержено ритмическим изменениям, обусловленным суточным (циркадным) ритмом внешней среды. Так, у растений хорошо известны ритмические циклы закрытия цветков и опускания листьев в ночное время и раскрытия их в дневное время. Однако это не всегда связано только с внешним воздействием света. Российский биофизик С.Э. Шноль приводит любопытный пример с фасолью Мэрана, листья которой опускались и поднимались вечером и утром, даже если она находилась в полностью темной комнате. Листья как бы «чувствовали» время и определяли его своими внутренними физиологическими часами. Обычно растения определяют длительность дня по переходу пигмента фитохрома из одной формы в другую при изменении спектрального состава солнечного света. «Закатное» солнце «красное» из-за того, что длинноволновый красный свет рассеивается меньше, чем синий. В этом закатном или сумеречном свете много красного и инфракрасного излучений, и растения (а может быть, и животные) это чувствуют.

Человек, изучающий мир, сам является структурой, изменяющейся во времени, и для него представления о прошлом и будущем существенно разные. В прошлом время выступает как обобщенная координата, а в будущем оно обладает свойствами, зависящими от того, как мы и другие объекты ведем себя в настоящем. Если прошлое определено, то будущее сложных систем известно не полностью. Как сказал социолог И.В. Бестужев-Лада, «прошлое можно знать, но нельзя изменить, а будущее можно изменить, но нельзя знать». Чем сложнее структура, тем большее число возможных состояний она может принимать в будущие моменты времени. В этом неоднозначность времени. Кроме того, время для индивидуальной особи, для ее вида, рода, класса и т.д. различно (масштаб времени). Для человека оно меньше, для человечества - больше. «Чувство времени» для живого организма всегда субъективно: быстро, когда человек увлечен, медленно - в безделье.

Эти различные формы времени и его воздействия на особенности жизни и поведения человека должны проявляться в его облике и остальных его свойствах и качествах. Во многих психологических исследованиях однозначно было показано, что в зависимости от функционального состояния человека его собственное субъективное время течет по разному. Известный летчик-испытатель М.Галлай описывает случай исследования явления флаттера во время полета самолета. Летчик оценил продолжительность своих действий до разрушения самолета и катапультирования в 50-55с. Однако когда был расшифрован «черный ящик», оказалось, что прошло всего 7 секунд, т.е. для самого пилота время замедлилось в 7 раз! Отметим, что для отдельного человека время выступает не в качестве независимой объективной переменной (астрономическое время), а наоборот, в роли параметра, зависимого от состояния человека. Человеку трудно воспринимать (и ощущать!) время как таковое (в некотором смысле оно для него абстрактное понятие). Для живых организмов течение абсолютного времени лишено реальности. Мы воспринимаем не время, а происходящие в течение его процессы и изменения, в том числе оцениваем и последовательность событий.

Эталоном времени для человека часто служит его собственное внутреннее время. Собственное время ощущают, например, буддийские монахи, длительно пребывающие в темных пещерах, в одиночестве, без астрономических и обычных земных датчиков времени. Исследования психологов показывают, что в таких случаях люди начинают жить именно в своем времени, и если бы это продолжалось достаточно долго, они могли бы создать свою собственную историческую хронологию.

Исследование и моделирование физиологического времени должно быть, вероятно, связано со становлением новой событийно ориентированной биоритмологии, где учитываются физиологическая сущность того, что является событием для живого организма, и его собственные ритмические закономерности. Наш физиологический возраст не зависит от того, сколько восходов и заходов Солнца мы видели на протяжении своей жизни. Интенсивность жизненных процессов связана с внутренним временем, биологическими часами. Ими управляются также такие процессы, как объем клеточного ядра, частота делений клеток, интенсивность фотосинтеза и клеточного дыхания, активность биохимических процессов и т.д. Предполагается, что это биологическое время может течь по-разному, неравномерно, если его сравнивать с физическим (астрономическим) временем. Однако заметим, что до настоящего времени экспериментально такая неравномерность времени в целом во Вселенной не обнаружена.

Синхронизированный общий биоритм организма может не совпадать с ритмом астрономического времени. В молодом возрасте у организма циклы чаще, и психологически кажется, что астрономическое время тянется медленнее, а в старости биологическое время идет медленнее и поэтому кажется, что астрономическое время идет быстрее. Теперь понятно, почему время для ребенка и старого человека течет по разному. У первого оно медленнее, у второго - быстрее. Ощущение человеком времени связано с эмоциональной окраской событий, в нем происходящих. Поэтому-тов детстве, когда эмоции сильнее, события кажутся более длительными. Боль удлиняет время, счастье - укорачивает («счастливые часов не наблюдают»). Возникает некий конфликт между физическим и биологическим временем. Говорят же, что женщине столько лет, на сколько она выглядит; а для здорового человека не важно, сколько ему лет, важно - как и на сколько лет он себя чувствует. Все - индивидуально!

В целом здоровье организма определяется состоянием и количеством его элементарных «атомов» - клеток. Скорость эволюции клеток, их рост и отмирание будут определять время жизни организма. В молодости скорость возобновления клеток высокая; в старости она замедляется, производная по времени от числа новых клеток меньше нуля, как говорят физики. Жизнь характеризуется интенсивностью обновления клеток, а при старении замедляется биологическое время, запрограммированное самой эволюцией жизни. Продолжительность жизни клеток определяется числом их делений, специфичным для каждого вида. Для живых организмов имеются экспериментальные подтверждения, что скорость деления клетки, задаваемая биоритмами, вначале растет, по мере развития организма достигает максимального значения и затем уменьшается, вплоть до нуля при естественной смерти организма. Клетки и органы ведут отсчет времени, согласуясь с программой, заложенной в геноме.

И «если жизнь прошла интенсивно, то она кажется полезной и интересной» (российский биолог И. И. Мечников (1845-1916)). Подобную мысль высказывал французский писатель и философ А. Камю (1913-1966): «Годы в молодости стремительно бегут, потому что они полны событий, а в старости тянутся медленно из-за того, что эти события предопределены». Видимо, это позволило Л. Ландау обоснованно перед смертью сказать: «Кажется, я неплохо прожил жизнь». А для автора всегда программным был девиз: «Только интенсивный обмен энергией с окружающей средой позволяет мне оставаться творческой личностью». Российский биолог И. И.Аршавский отмечал, что чем активней и с большими энергозатратами живет организм, тем больше длительность его жизни.

Заметим также, что случайные процессы, роль которых в квантовой статистике и биологии велика, могут полностью реализовываться лишь в бесконечно большом времени, а само время ограничено существованием мира.

Можно ли замедлять и ускорять биологическое время ? Замедлять его биологи уже частично умеют. Достаточно охладить организм, и живые сбавят свой ход, а то и совсем остановятся, при повышении же восстанавливают обычный ритм. Ученые давно думают над тем, как на заданный срок останавливать биологические часы у космонавтов. В таком состоянии они могут достигнуть самых отдаленных планет, почти не старея за время пути. А вот ускорить биологическое время пока значительно сложнее.

Как же сконцентрировать биологическое время? Ученые-биологи определили, что своеобразным концентратором биологического времени служат особые вещества, называемые биогенными стимуляторами. Механизм биологических часов, по-видимому, один и тот же у всех организмов, исключая бактерии, которые вообще не "приобрели" часов. Но разве с одинаковой скоростью протекают жизненные процессы у одноклеточных и многоклеточных организмов? Ведь у одних жизнь длится день, у других – столетие.

Вот коловратка – микроскопическое, но многоклеточное существо. Некоторые ее виды живут всего одну неделю. За эту неделю коловратка успевает вырасти и состариться. Так как же идет биологическое время у этой коловратки, как у человека или в 3 тыс. раз быстрее?

Сама природа дала исследователю прибор, который позволяет следить за течением биологического времени в живом организме, не входя непосредственно в его жизнь и не нарушая взаимосвязи в его структуре. Прибор этот – процесс деления самой . Скорость ее деления косвенно говорит и об обмене веществ внутри ее, и о времени, в котором она живет. Деление клетки дает и еще более важную информацию – где находится механизм, управляющий ходом биологического времени в живом.

На первый взгляд кажется несколько странным, что слон, человек, мышь и другие млекопитающие, так сильно различающиеся по размерам и по продолжительности жизни, первые шаги на жизненном пути делают с одинаковой скоростью.

Если рассматривать первые шаги жизни в развитии от одной клетки и сравнивать мышь и слона, то оказывается, что слон живет 60 лет, мышь – 2–3 года. Эмбриональное развитие у мыши – 21 день, а у слона – 660, почти 2 года. Все начинается одновременно, но как по-разному заканчивается. Может быть, у клетки мыши биологическое время сразу же побежало быстрее, и она в несколько раз обогнала по развитию зародыш слона? Нет, это не так. И мышонок, и слоненок первые 7 дней развиваются с одинаковой скоростью. Но почему же в первую неделю у зародышей слона и мыши одинаково идут биологические часы?

Оказалось, что в этот период почти у всех зародышей млекопитающих биологические часы поставлены как бы на "собачку". Наследственные механизмы – гены, регулирующие скорость роста и обмена веществ, в это время не работают.

Сначала зародыш набирает клеточную массу, в которой затем придется строить различные органы. Как только начинается строительство органов, словно бы заводится пружина часов. Каждый завод делается теперь с осторожностью и не до конца. Вся работа биологических часов идет под контролем генетического аппарата, и чем сложнее становится организм по мере развития, тем с большей четкостью гены выдают информацию. Организм начинает довлеть над работой биологических часов, и действие различных гормонов еще более замедляет биологическое время. У эмбриона, биологические часы которого не сдерживаются так сильно генетическим аппаратом и гормональными влияниями, потому что у него еще не развилась эндокринная система.

А можно ли снять тормоз времени у взрослого организма и заставить его жить быстрее? Может быть, есть такие вещества, которые концентрируют время, а проще и вернее сказать, снимают тормоз времени? Вся опасность в этом случае сводится к нарушению биологических часов. Ускорение обмена веществ и деления клеток должно быть гармоничным и обязательно в пределах нормы. Обмен веществ в живых клетках проходит всегда с несколько меньшей скоростью, клетка обладает довольно большими резервами на случай опасности. Значит, если дать сигнал опасности, то клетка частично снимет свой временной тормоз и все процессы в ней пойдут с увеличенной скоростью. Для этого необходимо воздействовать непосредственно на те гены, которые регулируют скорости химических взаимодействий огромных биомолекул внутри клетки.

Как же подать клетке сигнал опасности? В процессе эволюции в клетках организма выработался механизм, воспринимающий продукты распада, которые получаются от страдающих по соседству клеток. Поскольку у живых существ молекулярные механизмы восприятия опасности однотипны, при наличии продуктов распада ускорят свой ход биологические часы, как животных, так и растений. Вот почему листья алоэ, выдержанные в темноте, или ткани животных, находящиеся несколько дней в при 4 0 C, содержат уже вещества, способные ускорить обмен веществ в клетках организма, в который они будут введены.

Человек в самом начале эмбрионального развития живет в ускоренном биологическом времени. По мере его развития биологическое время замедляется. После рождения оно еще продолжает идти несколько скорее, чем у взрослого человека. К старости же людям кажется, что время "стоит на месте". Уж не включается ли здесь в работу на полную мощь тормоз времени – гены времени?

Биологи́ческие ри́тмы (биоритмы) (от греческого βίος - bios , «жизнь» и ῥυθμός - rhythmos , «любое повторяющееся движение, ритм» ) - периодически повторяющиеся изменения характера и интенсивности биологических процессов и явлений. Они свойственны живой материи на всех уровнях её организации - от молекулярных и субклеточных до биосферы. Являются фундаментальным процессом в живой природе. Одни биологические ритмы относительно самостоятельны (например, частота сокращений сердца, дыхания), другие связаны с приспособлением организмов к геофизическим циклам - суточным (например, колебания интенсивности деления клеток, обмена веществ, двигательной активности животных), приливным (например, открытие и закрытие раковин у морских моллюсков, связанные с уровнем морских приливов), годичным (изменение численности и активности животных, роста и развития растений и др.)

Наука, изучающая роль фактора времени в осуществлении биологических явлений и в поведении живых систем, временнýю организацию биологических систем, природу, условия возникновения и значение биоритмов для организмов называется - биоритмология . Биоритмология является одним из направлений, сформировавшегося в 1960-е гг. раздела биологии - хронобиологии . На стыке биоритмологии и клинической медицины находится так называемая хрономедицина , изучающая взаимосвязи биоритмов с течением различных заболеваний, разрабатывающая схемы лечения и профилактики болезней с учетом биоритмов и исследующая другие медицинские аспекты биоритмов и их нарушений.

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. Экологические ритмы по длительности совпадают с каким-либо естественным ритмом окружающей среды.

Биологические ритмы описаны на всех уровнях, начиная от простейших биологических реакций в клетке и заканчивая сложными поведенческими реакциями. Таким образом, живой организм является совокупностью многочисленных ритмов с разными характеристиками. По последним научным данным, в организме человека выявлено около 400 [ ] суточных ритмов.

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 временны́е программы, проявлением которых служат биоритмы. Такие ритмы, обозначаемые иногда как экологические , или адаптивные (например, суточные, приливные, лунные и годовые), закреплены в генетической структуре. В искусственных условиях, когда организм лишен информации о внешних природных изменениях (например, при непрерывном освещении или темноте, в помещении с поддерживаемыми на одном уровне влажностью, давлением и т. п.) периоды таких ритмов отклоняются от периодов соответствующих ритмов окружающей среды, проявляя тем самым свой собственный период.

Историческая справка

О существовании биологических ритмов людям известно с древних времен.

Теория «трёх ритмов»

Академические исследователи отвергли «теорию трёх биоритмов». Теоретическая критика излагается, например, в научно-популярной книге признанного специалиста в хронобиологии Артура Уинфри . К сожалению, авторы научных (не научно-популярных) трудов не сочли нужным специально уделить время критике, однако ряд публикаций (на русском языке это, например, сборник под редакцией Юргена Ашоффа , книга Л. Гласса и М. Мэки и другие источники) позволяют сделать вывод, что «теория трёх биоритмов» лишена научных оснований. Гораздо убедительнее, однако, экспериментальная критика «теории». Многочисленные экспериментальные проверки 1970-80-х годов полностью опровергли «теорию» как несостоятельную. В настоящее время «теория трёх ритмов» научным сообществом не признаётся и рассматривается как псевдонаука .

Благодаря широкому распространению «теории трёх ритмов», слова «биоритм» и «хронобиология » нередко ассоциируются с псевдонаукой. На самом деле хронобиология представляет собой научную доказательную дисциплину, лежащую в традиционном академическом русле исследований, а путаница возникает в связи с неверным использованием названия научной дисциплины по отношению к псевдонаучной теории.

См. также

Примечания

βίος (неопр.) . A Greek-English Lexicon . Perseus.
Henry George Liddell, Robert Scott. ῥυθμός (неопр.) . A Greek-English Lexicon . Perseus.

Марина Чернышева

Временнáя структура биосистем и биологическое время

Sankt-Petersburg State University

M. P.Chernysheva

TEMPORAL STRUCTURE of biosystems and biological TIME

Super Izdatelstvo

Введение

Природа Времени – одна из глобальных проблем, к решению которых наука неоднократно возвращалась на протяжении всей истории ее существования. Эволюция представлений о Времени от античности до XX-го века глубоко проанализирована в классическом труде Дж. Уитроу «Естественная философия времени» (1964), в монографиях М. И. Элькина (1985), П. П. Гайденко (2006) и других авторов. Начиная с ХХ века философские аспекты этой проблемы неизменно связаны с естественнонаучными подходами к ее решению (Шредингер, 2002; Чижевский, 1973; Уинфри, 1986; Козырев, 1963, 1985, 1991; Пригожин, 2002; и др.). В работах выдающихся отечественных исследователей находим идеи, давшие начало целым направлениям в науке о времени. Так, И. М. Сеченов положил начало исследованиям по влиянию двигательной активности на субъективное время человека. И.П. Павлов, впервые описавший рефлекс на время, фактически заявил о способности мозга к запоминанию временных интервалов. Н. П. Пэрна (1925), сотрудник кафедры физиологии Петроградского университета, впервые описал ритмы ряда физиологических процессов человека. Д. И. Менделеев, описавший движение цветка вслед за изменением положения солнца, определенно продемонстрировал наличие околосуточного (циркадианного) ритма движений растений, гормональный механизм которого был описан позже (В. Н. Полевой, 1982). В работах А. А. Ухтомского прослеживается мысль о важности временного фактора в работе нервной системы и в, частности, в формировании доминанты (Ухтомский, 1966; Соколова, 2000). Один из гениев русского Ренессанса начала ХХ века, В. И. Вернадский, не только ввел рубрикацию специфического для разных систем времени (геологического, исторического, биологического, социального), но и обосновал представление о биологическом времени как основном и первичном, придав ему «космический статус» по причине способности биосистем к движению и размножению (Вернадский, 1989). Эту же особенность живых организмов подчеркивал Э. Шредингер (2002).

Наряду с мультидисциплинарными подходами к решению проблемы природы Времени (Аксенов, 2000; Вакуленко и др., 2008; Казарян, 2009; Коганов, 2009; Козырев, 1989; Коротаев, Киктенко, 2012; Лебедев, 2004; Левич, 2000, 2002, 2013; Хасанов, 2011; Чураков, 2012; Шихобалов, 2008, и др.), огромный объем исследований, начиная со второй половины ХХ века, посвящен природе биологического времени (Aschoff, 1960; Уинфри, 1990; Питтендрих, 1984; Алпатов, 2000; Романов, 2000; Оловников, 1973, 2009; Скулачев, 1995; Загускин, 2004, 2007, и др.). Достижения физики, химии, математики и биологии предопределили разработку разнообразных новых методов исследования, позволивших открыть белки часовых генов (clock-genes proteins), формирующие механизм околосуточных ритмов для многих функций организма. Важность активности clock-белков и clock-осциллятора для здоровья и адаптации человека к пространственно-временному континууму окружающей среды обусловили соответствующую тематическую направленность большинства работ современных отечественных и зарубежных исследователей. В отечественной биологии и медицине «штурм» клеточно-молекулярных механизмов биологического времени привел к выдающимся открытиям: созданию теломерно-редусомной теории контроля продолжительности жизни (Оловников, 1973, 2009) и представления о роли митохондрий в процессах старения (Скулачев, 1995), а также к развитию геронтологических аспектов роли гормонов эпифиза и тимуса (Анисимов, 2010; Хавинсон и др., 2011; Кветной и др., 2011). В работах зарубежных исследователей выявлены функции отдельных clock-белков, условия формирования clock-осциллятора и ритмов с разными темпоральными параметрами (см. Golombek et al., 2014), а также развиты представления о системах синхронизации clock-осцилляторов разных структурных уровней организма. Растущее понимание специфики клеточных, тканевых, органных и системных генераторов временных процессов определяют начинающийся возврат зарубежных авторов к «системному мышлению» в аспекте проблемы Времени (Blum et al., 2012; Mohawk et al., 2012). Заметим, что у отечественных исследователей системный подход в изучении этой проблемы всегда оставался в поле внимания (Черниговский, 1985; Баранникова и др., 2003; Кулаев, 2006; Январева и др., 2005; Журавлев, Сафонова, 2012, и др.). Наряду с очевидными успехами в изучении чувствительных к «ходу времени» (термин Н.А. Козырева) биологических объектов, остаются мало разработанными вопросы о временной структуре живых организмов, взаимосвязи клеточно-молекулярных и системных таймеров, сенсорах Времени и пока открыт вопрос о природе Времени. По мнению автора, обширный круг исследований биосистем, выполненных к настоящему времени в мире, позволяет предложить определенные решения по перечисленным вопросам.

Биологическое время

«Понять “природу” времени, – значит указать его природный референт, т. е. процесс, явление, “носитель” в материальном мире, свойства которого могли бы быть отождествлены или корреспондированы со свойствами, приписываемыми феномену времени».

А.П. Левич, 2000.

1.1. Феномен жизни

Вынесенное в эпиграф высказывание Александра Петровича Левича представляется совершенно справедливым в свете представлений Г. Лейбница и Н.А. Козырева об энергетической природе времени и его «активных свойствах». Действительно, по аналогии с историей открытия электрона по иммерсионному следу в камере Вильсона, биологические процессы, обладающие рядом темпоральных параметров и потому являющиеся по сути временными процессами, вполне могут быть «референтами» времени и отражать его воздействие. Для понимания «природы» времени в биосистемах важен анализ факторов, определяющих специфику живых организмов по сравнению с косными системами

Феномен жизни и отличия живого организма от косных систем, во все времена привлекали внимание философов и представителей естественных наук (Аристотель, 1937; Страхов, 2008; Вернадский, 1989; Ухтомский, 1966; Шредингер, 2002, и многие другие). Очевидно, что общность базисных законов природы не исключает особенностей их проявления в условиях специфики биосистемы, косной природной или искусственной систем. К их числу, в первую очередь, следует отнести законы термодинамики, определяющие для любой системы возможность и длительность работы, а также время существования (продолжительность жизни). Признавая справедливость законов термодинамики для всех объектов Вселенной, многие исследователи отмечают специфику проявлений второго начала термодинамики для живых организмов (Шредингер, 2002; Пригожин, 2002, и др.). Среди таковых, прежде всего, отмечается невозможность «тепловой смерти» для живых организмов вследствие стремления биосистем к стабилизации уровня энтропии (Вернадский, 1989; Пригожин, 2002; Пригожин, Стенгерс, 2000, и др.).

В основе жизнедеятельности биосистем лежат разнообразные процессы, использующие химическую, механическую, электрическую, световую и другие виды энергии. Как известно, при реализации различных функций (работы) в любой системе происходит частичное преобразование той или иной энергии в тепловую, которая может быть утрачена через теплорассеивание в окружающую среду или частично задержана, определяя уровень хаоса (энтропии) в структурах организма. Для живых организмов справедливы и другие известные определения энтропии: как меры степени неструктурированности потоков энергии и меры термодинамической возможности определенного состояния или процесса. Множественность возможных определений энтропии для биосистемы подчеркивает и разнообразие путей ее регуляции.

Давно замечено, что все живое на Земле подчиняется определенным ритмам, которые задаются глобальными процессами. Это суточное вращение планеты вокруг оси и движение ее по околосолнечной орбите. Живые организмы каким-то образом чувствуют время, и их поведение подчинено его течению. Это проявляется в чередовании периодов активности и сна у животных, в открывании и закрывании цветков у растений. Перелетные птицы каждую весну возвращаются к местам гнездования, выводят птенцов и мигрируют в теплые края на зимовку.

Что такое биологические часы?

Ритмичность протекания всех жизненных процессов - свойство, присущее всем обитателям нашей планеты. Например, морские одноклеточные жгутиконосцы светятся ночью. Неизвестно, зачем они это делают. Но днем они не светятся. Это свойство жгутиконосцы получили в процессе эволюции.

Каждый живой организм на Земле - и растения, и животные - имеют внутренние часы. Они определяют периодичность жизнедеятельности, привязанную к продолжительности земных суток. Эти биологические часы приспосабливают свой ход к периодичности смены дня и ночи, они не зависят от изменения температуры. Кроме суточных циклов, существуют сезонные (годичные) и лунные периоды.

Биологические часы - в какой-то мере условное понятие, подразумевающее свойство живых организмов ориентироваться во времени. Это свойство присуще им на генетическом уровне и передается по наследству.

Изучение механизма биологических часов

Долгое время ритмичность жизненных процессов живых организмов объяснялась ритмичностью изменения условий среды обитания: освещенность, влажность, температура, атмосферное давление и даже интенсивность космического излучения. Однако простые опыты показали, что биологические часы работают независимо от изменений внешних условий.

Сегодня известно, что они есть в каждой клетке. В сложных организмах часы образуют сложную иерархическую систему. Это нужно для функционирования как единого целого. Если какие-либо органы и ткани по времени не согласованы, возникают различного вида болезни. Внутренние часы эндогенны, то есть имеют внутреннюю природу и подстраиваются сигналами извне. Что еще нам известно?

Биологические часы передаются по наследству. В последние годы найдены доказательства этого факта. В клетках есть гены часов. Они подвержены мутациям и естественному отбору. Это нужно для согласования процессов жизнедеятельности с суточным вращением Земли. Поскольку в разных широтах соотношения продолжительности дня и ночи в течение года неодинаковы, часы нужны еще и для приспособления к смене сезонов. Они должны учитывать, прибавляет или убывает день и ночь. По-другому нельзя различить весну и осень.

Изучая биологические часы растений, ученые выяснили механизм приспособления их к изменениям продолжительности дня. Это происходит при участии особых фитохромных регуляторов. Как работает этот механизм? Фермент фитохром существует в двух формах, которые превращаются из одной в другую в зависимости от времени суток. Получаются часы, регулируемые внешними сигналами. Все процессы в растениях - рост, цветение - зависят от концентрации фермента фитохрома.

До конца механизм внутриклеточных часов еще не изучен, однако пройдена большая часть пути.

Циркадные ритмы в организме человека

Периодические изменения интенсивности биологических процессов связаны с чередованием дня и ночи. Эти ритмы называют циркадными, или циркадианными. Их периодичность - около 24 часов. Хотя циркадные ритмы связаны с процессами, происходящими вне организма, они имеют эндогенное происхождение.

У человека нет органов и физиологических функций, которые не подчинялись бы суточным циклам. Сегодня их известно более 300.

Биологические часы человека регулируют в соответствии с суточными ритмами такие процессы:

Частота сердечных сокращений и дыхания;

Потребление организмом кислорода;

Перистальтика кишечника;

Интенсивность работы желез;

Чередование сна и отдыха.

Это только основные проявления.

Ритмичность физиологических функций происходит на всех уровнях - от изменений внутри клетки до реакций на уровне организма. Эксперименты последних лет показали, что в основе циркадных ритмов - эндогенные, самоподдерживающиеся процессы. Биологические часы человека настроены на периодичность колебаний в 24 часа. Они связаны с изменениями в окружающей среде. Ход биологических часов синхронизируется с некоторыми из этих изменений. Наиболее характерные из них - чередование дня и ночи и суточные колебания температуры.

Считается, что у высших организмов главные часы расположены в головном мозге в супрахиазменном ядре таламуса. К нему ведут нервные волокна от зрительного нерва, а с кровью приносится среди прочих гормон мелатонин, вырабатываемый эпифизом. Это орган, который когда-то был третьим глазом у древних рептилий и сохранил функции регуляции циркадных ритмов.

Биологические часы органов

Все физиологические процессы в организме человека протекают с определенной цикличностью. Меняются температура, давление, концентрация сахара в крови.

Органы человека подчинены суточному ритму. За 24 часа их функции переживают поочередно периоды подъема и спада. То есть всегда, в одно и то же время, в течение 2 часов орган работает особенно эффективно, после чего переходит в фазу релаксации. В это время орган отдыхает и восстанавливается. Эта фаза длится также 2 часа.

Например, фаза подъема активности желудка приходится на период с 7 до 9 часов, за ней, с 9 до 11, следует спад. Селезенка и поджелудочная железа активны с 9 до 11, а с 11 до 13 отдыхают. У сердца эти периоды приходятся на 11-13 часов и 13-15. У мочевого пузыря фаза активности - с 15 до 17, покой и отдых - с 17 до 19.

Биологические часы органов - один из тех механизмов, который позволил обитателям Земли за миллионы лет эволюции приспособиться к суточному ритму. Но созданная человеком цивилизация неуклонно разрушает этот ритм. Как показывают исследования, разбалансировать биологические часы организма просто. Достаточно лишь кардинальным образом изменить режим питания. Например, начать обедать среди ночи. Поэтому жесткий режим питания - основополагающий принцип. Особенно важно соблюдать его с раннего детства, когда «заводятся» биологические часы организма человека. От этого напрямую зависит продолжительность жизни.

Хроногеронтология

Это новая, совсем недавно возникшая научная дисциплина, которая изучает возрастные изменения биологических ритмов, возникающие в организме человека. Хроногеронтология возникла на стыке двух наук - хронобиологии и геронтологии.

Один из предметов исследований - механизм функционирования так называемых «больших биологических часов». Этот термин впервые ввел в обращение выдающийся ученый В. М. Дильман.

«Большие биологические часы» - достаточно условное понятие. Это, скорее, модель процессов старения, протекающих в организме. Она дает понимание взаимосвязи образа жизни человека, его пищевых пристрастий с действительным биологическим возрастом. Эти часы ведут отсчет продолжительности жизни. Они фиксируют накопление изменений в организме человека от момента рождения и до смерти.

Ход больших биологических часов неравномерен. Они то спешат, то отстают. На их ход оказывают влияние многие факторы. Они то укорачивают, то удлиняют жизнь.

Принцип функционирования больших биологических часов заключается в том, что они измеряют не отрезки времени. Они измеряют ритм процессов, а точнее - потерю его с возрастом.

Исследования в этом направлении могут помочь в решении главного вопроса медицины - устранение болезней старения, которые на сегодняшний день являются основной преградой в достижении видового лимита жизни человека. Сейчас этот показатель оценивается в 120 лет.

Сон

Внутренние ритмы организма регулируют все процессы жизнедеятельности. Время засыпания и пробуждения, продолжительность сна - за все отвечает «третий глаз» - таламус. Доказано, что этот участок мозга ответственен за выработку мелатонина - гормона, регулирующего биоритмы человека. Его уровень подчиняется суточным ритмам и регулируется освещением сетчатки глаза. С изменением интенсивности светового потока уровень мелатонина возрастает или уменьшается.

Механизм сна очень тонкий и ранимый. Нарушение чередования сна и бодрствования, которое в человеке заложено природой, наносит серьезный вред здоровью. Так, постоянная посменная работа, предполагающая трудовую деятельность ночью, связана с более высокой вероятностью возникновения таких заболеваний, как сахарный диабет 2-го типа, сердечные приступы и рак.

Во сне человек полностью расслабляется. Все органы отдыхают, только мозг продолжает трудиться, систематизируя полученную за день информацию.

Сокращение продолжительности сна

Цивилизация вносит свои коррективы в жизнь. Исследуя биологические часы сна, ученые обнаружили, что современный человек спит на 1,5 часа меньше, чем люди в 19 веке. Чем же опасно сокращение времени ночного отдыха?

Нарушение естественного ритма чередования сна и бодрствования ведет к сбоям и нарушениям в работе жизненно важных систем организма человека: иммунной, сердечно-сосудистой, эндокринной. Недостаток сна приводит к излишней массе тела, влияет на зрение. Человек начинает чувствовать дискомфорт в глазах, нарушается четкость изображения, возникает опасность развития серьезного заболевания - глаукомы.

Недостаток сна провоцирует сбои в работе эндокринной системы человека, увеличивая тем самым риск возникновения тяжелого недуга - сахарного диабета.

Исследователи выявили интересную закономерность: продолжительность жизни больше у людей, которые спят от 6,5 до 7,5 часов. И сокращение, и увеличение времени сна приводит к уменьшению продолжительности жизни.

Биологические часы и здоровье женщины

Этой проблеме посвящены многие исследования. Биологические часы женщины - это способность ее организма к производству потомства. Существует другой термин - фертильность. Речь идет о предельном возрасте, благоприятном для рождения детей.

Несколько десятилетий назад часы показывали отметку в тридцать лет. Считалось, что реализация себя в качестве матерей для представительниц прекрасного пола после этого возраста сопряжена с риском для здоровья женщины и ее будущего ребенка.

Сейчас ситуация изменилась. Существенно - в 2,5 раза - увеличилось число женщин, впервые зачавших ребенка в возрасте от 30 до 39 лет, а тех, кто сделал это после 40, стало больше на 50%.

Тем не менее специалисты считают благоприятным возрастом для материнства 20-24 года. Часто желание получить образование, реализовать себя в профессиональной сфере побеждает. Лишь немногие женщины принимают на себя в этом возрасте ответственность за воспитание малыша. Половая зрелость на 10 лет опережает зрелость эмоциональную. Поэтому большинство специалистов склоняются к мнению, что для современной женщины оптимальный срок для рождения ребенка - это 35 лет. Сегодня их уже не включают в так называемую группу риска.

Биологические часы и медицина

Реакция организма человека на различные воздействия зависит от фазы циркадного ритма. Поэтому биологические ритмы играют большую роль в медицине, особенно при диагностике и лечении многих заболеваний. Так, действие лекарственных препаратов зависит от фазы околосуточного биоритма. Например, при лечении зубов обезболивающий эффект максимально проявляется с 12 до 18 часов.

Изменение чувствительности человеческого организма к лекарственным препаратам изучает хронофармакология. Основываясь на информации о суточных биоритмах, разрабатываются наиболее эффективные схемы приема лекарств.

Например, сугубо индивидуальные колебания значений артериального давления требуют учета этого фактора при приеме лекарств для лечения гипертонической болезни, ишемии. Так, во избежание криза людям из группы риска лекарства следует принимать вечером, когда организм наиболее уязвим.

Кроме того, что биоритмы организма человека оказывают влияние на эффект от приема препаратов, нарушения ритмики могут быть причиной различных заболеваний. Они относятся к так называемым динамическим недугам.

Десинхроноз и его профилактика

Для здоровья человека огромное значение имеет дневная освещенность. Именно солнечный свет обеспечивает естественную синхронизацию биоритмов. Если освещенность недостаточная, как это бывает зимой, происходит сбой. Это может быть причиной многих заболеваний. Развиваются психические (депрессивные состояния) и физические (снижение общего иммунитета, слабость и т. д.). Причина этих расстройств кроется в десинхронозе.

Десинхроноз возникает, когда биологические часы организма человека дают сбой. Причины могут быть разные. Десинхроноз возникает при смене на длительный период часового пояса, в период адаптации при переходе на зимнее (летнее) время, при посменной работе, увлечении алкоголем, беспорядочном питании. Выражается это в расстройстве сна, приступах мигрени, снижении внимания и концентрации. В итоге может возникнуть апатия и депрессия. Людям старшего возраста адаптация дается тяжелее, на это им требуется больше времени.

Для профилактики десинхроноза, коррекции ритмов организма используют вещества, которые могут влиять на фазы биологических ритмов. Их называют хронобиотиками. Они содержатся в лекарственных растениях.

Хорошо поддаются коррекции биологические часы с помощью музыки. Она способствует повышению производительности труда при выполнении монотонной работы. С помощью музыки также лечат нарушения сна и нервно-психические заболевания.

Ритмичность во всем - путь улучшения качества жизни.

Практическое значение биоритмологии

Биологические часы - объект серьезных научных исследований. Заказчики их - многие отрасли хозяйства. Результаты изучения биологических ритмов живых организмов с успехом применяются на практике.

Знание ритмов жизни домашних животных и культурных растений помогает повышать эффективность сельскохозяйственного производства. Используют эти знания охотники и рыбаки.

Суточные колебания в организме физиологических процессов учитывает медицинская наука. Эффективность приема лекарств, хирургических вмешательств, выполнения лечебных процедур и манипуляций напрямую зависит от биологических часов органов и систем.

Достижения биоритмологии давно используются при организации режима труда и отдыха экипажей авиалайнеров. Их работа связана с пересечением нескольких часовых поясов за один рейс. Устранение неблагоприятного влияния этого фактора имеет очень большое значение для сохранения здоровья летного состава авиакомпаний.

Трудно обойтись без достижений биоритмологии в космической медицине, особенно при подготовке длительных полетов. Далеко идущие грандиозные планы по созданию поселений людей на Марсе не обойдутся, по-видимому, без изучения особенностей функционирования биологических часов человека в условиях этой планеты.