Биологические ритмы человека — виды и классификация

Организм постоянно приспосабливается к изменениям гелиогеофизических условий внешней среды. Так, с суточным вращением Земли синхронизуется ритм «сон-бодрствование», а со сменой времен года – ритмы смены мехового покрова (линьки) у животных. В основе подобных приспособительных реакций лежат биологические ритмы.

Наука биоритмология изучает временную упорядоченность взаимосвязанных процессов жизнедеятельности на уровнях от субклеточного до биосферы в целом. Хронофизиология исследует механизмы генерации биологических ритмов отдельными клетками, органами, тканями и организмом в целом. Хрономедицина изучает роль нарушения различных биоритмов организма в развитии патологических процессов и результаты применения биоритмологических данных в диагностике, лечении и профилактике различных заболеваний.

Классификация и характеристика биоритмов.

Выделяют два типа периодических процессов жизнедеятельности при взаимодействии организма с внешней средой: адаптивные и рабочие. Адаптивные (или собственно биоритмы) имеют периоды, близкие к геофизическим циклам. Рабочие ритмы отражают текущую деятельность физиологических систем организма.

По частоте осцилляций биологические ритмы подразделяют на пять классов периодических процессов в живых организмах.

1. Высокочастотные ритмы (период 30 мин) – это большинство рабочих ритмов. Примерами таких ритмов является генерация импульсов нейронами и мышечными клетками. Эти ритмы имеют эндогенное происхождение и отражают состояние соответствующих физиологических систем.
2. Ультрадианные ритмы (период 0,5-20 ч). Некоторые из них относят к собственно биологическим, т. е. согласованным с временем суток. Однако некоторые фазы этих ритмов не имеют связи с временем суток. Так, один цикл колебания состава мочи и крови составляет 20 ч, а стадии быстрого сна повторяются через каждые 90 мин от момента засыпания.
3. Циркадианные биоритмы (околосуточные, период 20-28 ч). Они синхронизированы с вращением Земли вокруг оси, сменой дня и ночи, устойчивы и сохраняются в течение всей жизни. К ним относят ритмы «сон бодрствование», суточные колебания температуры тела и др.
4. Инфрадианные ритмы менее изучены (период от 26 ч до 6 сут). Так, известен недельный ритм выделения с мочой некоторых гормонов.
5. Низкочастотные ритмы: циркатригинтанные (лунные – около 30 дней): циркануальные (окологодичный); мегаритмы (период от полутора до нескольких десятков лет) – изменение численности популяции, видов животных.

Основу составляют циркадианные, или околосуточные ритмы. Большинство биоритмов схематически описываются синусоидой. Подъем биоритма называют акрофазой, а спад – батифазой. Наряду
с длительностью периода биоритмы имеют среднее значение параметров (мезор), амплитуду и момент цикла, когда регистрируется сигнал (фаза).

Сложное течение биоритма характеризуется максимумом (ортофаза) и минимумом (парафаза) процесса, средней его тенденцией (уровень) и разностью минимума и максимума (размах). Момент,
когда активность процесса равна мезору, носит название мезофазы.

Кривая биоритма имеет две мезофазы – она переходит мезофазу на подъеме и на спаде активности процесса.

Функции организма одновременно испытывают несколько ритмических колебаний. Например, наряду с суточными колебаниями температуры тела человека имеют место ее сезонные колебания.
Биоритмы человека и животных одновременно включают в себя ритмы клеток, субклеточных структур, органов, тканей и, наконец, организма в целом и представляют собой сложный комплекс колебательных процессов, отражающий хронобиологическое состояние организма.

Совокупность периодических колебаний, морфологических, физиологических и биохимических показателей организма и отдельных его систем характеризует понятие хронобиологической нормы. Хронобиологическая норма зависит от наследственности; факторов внешней среды (вращение Земли вокруг своей оси и Солнца); социальных факторов (временная организация труда и отдыха).

Вариантами хронобиологической нормы у человека являются люди «жаворонки» и «совы».
Оптимальное осуществление физиологических. функций организма возможно лишь при условии согласования, координации его биоритмов как между собой, так и с ритмами окружающей среды.

Физиологические механизмы ритмогенеза. Организация эндогенных биологических часов.

Организм млекопитающих является объединением множества пейсмекерных элементов. Пейсмекеры подчинены единому водителю ритма, который синхронизирован с внешними периодическими процессами, Отдельные пейсмекеры могут работать самостоятельно, вне связи с ведущим пейсмекером.

Так, при пересадке сердца в трансплантате сохраняются суточные ритмы, присущие донору. Инкубированные срезы надпочечников сохраняют in vitro циркадианные ритмы секреции кортикостероидов. Несмотря на «самостоятельность» некоторых пейсмекеров, весь
комплекс суточных ритмов физиологических функций человека носит строго упорядоченный характер. Упорядоченность и взаимная согласованность ритмов изменяется при переходе в иной режим жизнедеятельности, что наблюдается ори авиаперелете человека в другой часовой пояс либо при смене режима сна и бодрствования.

Разные функциональные системы имеют различную скорость перестройки циркадианных ритмов. Режимы поведенческих процессов (питание, сон-бодрствование) перестраиваются быстрее, чем нейрофизиологическая структура, например, ночного сна. Ресинхронизация ритмов суточных колебаний параметров внешнего дыхания, кровообращения и системы терморегуляции затягивается до недели, а эндокринных и метаболических процессов – до трех недель. Следовательно, в новых условиях среды осцилляторы постепенно устанавливают новые связи.

Организм обладает генетической обусловленностью отсчета времени (гипотеза хронона). Например, клеточными часами может быть механизм белкового синтеза, цикл транскрипции которого составляет около 24 ч.

Природу эндогенных часов связывают с синтезом полиферментативных комплексов, участвующих в углеводном обмене. Известно, что некоторые замкнутые ферментативные циклы постоянно находятся в автоколебательном режиме от одной крайней точки к другой. Конструкция этих циклов порождает закономерные колебания с периодом около 24 ч. Таким образом, в формировании биологического ритма определенную роль играют и генетические и метаболические механизмы.

Синхронизация эндогенных ритмов с факторами внешней среды.

Стабильность и согласованность ритмов поддерживают фотопериодика и изменения температуры среды. Фазная структура циркадианных ритмов существенно зависит от ритмов пищевой и двигательной активностей. Наконец, режим труда и отдыха создает фазовый сдвиг суточного ритма процессов жизнедеятельности.

Важнейшим источником информации о внешнем мире для большинства организмов служат фотохимические реакции клеток сетчатки. Поэтому периоды естественной освещенности являются
основным «датчиком времени» для циркадианных ритмов.

Кроме того, световой цикл влияет на физиологические процессы через поведенческие и пищевые реакции. Известен следующий механизм синхронизации биоритмов с ритмами естественной освещенности. Сетчатка глаз через супрахиазматическое ядро гипоталамуса связана с верхним шейным симпатическим ганглием, а далее – с шишковидной железой (эпифизом). Гормоны эпифиза (мелатонин, серотонин) осуществляют фотопериодический контроль суточных и сезонных биоритмов. Эпифиз является интегрирующей структурой.

Важным фактором среды, синхронизующим циркадианные ритмы, являются колебания температуры внешней среды. Кроме того, в дневные часы у человека уменьшается время реакции на слуховой и
зрительный раздражители, увеличивается скорость и точность переработки информации. Днем выше координация движений, лабильность нервно-мышечного аппарата, сила мыши и их выносливость.
Эти изменения психической работоспособности совпадают с колебаниями температуры тела.

Суточную периодику имеет система кровообращения. В дневное время наиболее максимальны частота сердечных сокращений, сократительная функция миокарда, ударный и минутный объемы
крови и систолическое артериальное давление, реактивность кровеносных сосудов к суживающим и расширяющим агентам. Напротив, диастолическое давление нередко бывает выше ночью и утром.
Метаболические процессы днем выше, чем ночью. В первой половине дня обычно выше регистрируется утилизация углеводов, а максимальная утилизация липидов отмечается вечером и ночью.

В период активности организма преобладают катаболические процессы, а во время покоя – анаболические. Выведение с мочой воды, натрия, калия, кальция, хлоридов и других неорганических веществ также совпадает с периодом наибольшей активности организма.

Ведущую роль в координации циклических процессов играют циркадианные ритмы активности механизмов нервной и эндокринной регуляции. Практически все уровни ЦНС, вегетативной нервной
системы и системы гипоталамус-гипофиз-периферические железы имеют собственные биоритмы, которые запускают биоритмы других физиологических функций. Например, суточные колебания тонуса вегетативной нервной системы тесно связаны со сменой фаз сна и бодрствования. Суточные биоритмы активности гипофиза проявляются в колебаниях активности тропных гормонов, максимум секреции которых имеет место во время ночного сна. Координация биоритмов нервной и эндокринной систем осуществляется адренергической и серотонинергической системами мозга, которые влияют на выработку и высвобождение гипоталамических релизинг-гормонов,
а также участвуют в регуляции ритмов сна.

Биоритмы гормонов, вырабатываемых периферическими эндокринными железами, совпадают с содержанием тропных гормонов или отстают от него на 2-3 часа. В обобщенном виде некоторые сведения о суточных колебаниях физиологических функций у человека приведены в таблице 1

Время проявления максимальных величин показателей некоторых функций у человека в течение суток

Сезонные ритмы физиологических функций организма

связаны с изменениями климатических условий, состава продуктов питания. Они взаимодействуют с эндогенными механизмами биоритмогенеза. Совместное действие этих факторов определяет «биоритмологический портрет» организма.

Сезонную динамику репродуктивной функции организма в средних широтах земного шара связывают с изменениями продолжительности светлого и темного времени суток. С удлинением ночи в зимний период увеличивается выработка мелатонина эпифизом, который тормозит гонадотропную функцию гипоталамогипофизарной системы организма животных. У человека сезонные изменения показателей биоэнергетики и терморегуляции организма связаны с возрастанием уровня потребления О2 и со снижением теплоотдачи в холодное время года. В зимние месяцы возрастает активность симпатоадреналовой системы, вызывая ‘увеличение выделения адреналина и норадреналина в тканях организма, а также усиливается функциональная активность щитовидной железы. Весной повышается концентрация в кровотропных гормонов типофиза, активность ренин-ангиотензин-альдостероновой системы, а в конце лета и в начале осени в организме увеличивается количество тестостерона.

Глюкокортикоидная функция надпочечника минимальна у жителей средних широт летом.
Функциональная активность системы кровообращения у людей‚ совпадает с сезонными колебаниями энергетического обмена. Так, в зимние месяцы отмечаются наибольшие показатели артериального
давления и сократительной функции миокарда.

Механизмы генерации эндогенных циркануальных ритмов очень сложны, так как их вызывают комплекс климатогеографических и физических факторов, состав продуктов питания, а для человека – и социальная среда обитания. Кроме того, в разных регионах планеты существуют свои особенности «биоритмологического портрета» людей (влияющие на циркануальные ритмы поведенческой актив ости) и физиологических функций у разных их популяций.

Возможности биоритмологической адаптации человека.

При резком изменении ритмов внешней среды происходит рассогласование эндогенно обусловленных колебаний функционально взаимосвязанных систем организма, наступает состояние десинхроноза.

Десинхроноз циркадианных ритмов температуры тела, кровообращения, физической и психической работоспособности человека возникает при авиаперелетах через 2-4 часовых пояса или при посменной работе (дневные-ночные часы). Многолетнее сочетание таких факторов приводит к развитию патологических изменений в организме (болезни системы кровообращения, органов пищеварения и др.), к изменениям в эмоциональной сфере человека. Даже однократное изменение ритма «сон-бодрствование» снижает физическую и умственную работоспособность.

При фазовом сдвиге цикла «сон-бодрствование» на 5 часов ресинхронизация циркадианных ритмов физиологических функций человека составляет 4-5 суток, а при фазовом сдвиге на 6-7 часов – 10
дней и более. После возвращения в прежнюю «временную среду» показатели нейрофизиологической структуры сна, самочувствия и работоспособности восстанавливаются наиболее эффективно при адекватной двигательной нагрузке. Эндогенные ритмы жизнедеятельности организма при заболевании могут нарушаться. Степень отклонения биоритмов от нормы, как правило, коррелирует с тяжестью заболевания. Состояние десинхроноза может обострять болезнь, увеличивать сроки лечения пациента.