Что такое циркадные ритмы

Как мы вообще отличаем время? Мы делаем это при помощи разных циклических явлений, захода и восхода солнца, движения стрелок по циферблату и т. д. Но ведь у нас в теле этих циклических явлений тоже немало. Головной мозг за день получает раздражения, утомляется, а затем восстанавливается. Пищеварительный канал то периодически занят пищей, то освобождается от нее и т. д. И так как каждое состояние органа может отражаться на больших полушариях, то вот и основание, чтобы отличать один момент времени от другого.

И. П. Павлов

Все мы живем не только в пространстве, но и во времени, в котором земные и космические явления изменяются циклично. Живая природа за долгую историю своего существования приспосо­билась к ним, выработав ритмическую смену всех жизненных процессов.

Следуя закону биологической целесообразности, живые существа применились к смене дня и ночи, связанной с вращением Земли вокруг своей оси, к смене сезонов года, происходящей в связи с движением нашей планеты вокруг Солнца, и т. д. Указанная цикличность проявляется у растений и животных. Не обнаружена она только у бактерий. В настоящее время прослежены биологические ритмы, связанные с вращением Земли по отношению к Луне, по отношению к звездам и зависящие от 27-дневного цикла, за время которого Солнце делает один оборот вокруг своей оси, а также синхронные периодическим изменениям солнечной активности и сменам фаз Луны.

То обстоятельство, что внешние условия существования заставляют живые организмы жить в определенном ритме, издавна поражало воображение людей. Так, в конце XV в., во времена великих географических открытий, Христофор Колумб и его спутники, плывущие на флагманской каравелле «Санта Мария», наблюдали в Карибском море таинственное ночное свечение воды. Позже природа этого явления была выяснена. Оказалось, что виновниками его являются черви одонтосиллис, ритм размножения которых строго синхронизирован с временем наступления определенных фаз Луны. Ночью, в третью четверть Луны, самки этих червей мечут светящуюся икру, которую по этому признаку находят и оплодотворяют самцы. Если бы черви одонтосиллис не обладали внутренними «биологическими часами» и не могли вести отсчет времени, возможности к воспроизведению своего рода у них исчезли бы и существование их прекратилось.

Способность организмов измерять время была открыта в 1729 г. французским астрономом де Мэроном. Его интересовало вращение Земли вокруг своей оси. Попутно он установил, что растения в течение суток ритмически то раскрывают свои листья и венчики цветов, то закрывают их. Причем свойственно это качество не только тем из них, которые находятся в естественных условиях, но и тем, которые содержатся все время в полной тьме или при постоянных условиях освещения. Наследственный характер этого явления и его сущность — приспособить суточный обмен веществ к световым условиям на поверхности Земли — были доказаны затем многими учеными.

Так, на птичьих базарах Арктики при незакатном полярном дне гуси, утки, кулики и другие прилетевшие из средних широт птицы продолжают укладываться спать в 20—21 час и вылетать с гнезд за пищей в 5—6 часов утра, как они делали это в лесах умеренного пояса.

Подтверждают это и опыты над ночными животными, например крысами. На протяжении 25 поколений их содержали при постоянном освещении. И все же ритм их жизни оставался неизменным: они засыпали на день и были активны в ночные часы.

Почему же принадлежащие к разным классам животные двигаются, добывают пищу и отдыхают в разное время суток?

Оказывается, что у лягушек, ящериц, пауков, клещей ритм бодрствования и сна служит приспособлением к физическим факторам окружающей среды (к ее влажности, температуре и т. д.), так как при малых размерах поверхность их тела велика по сравнению с массой и поэтому им трудно сохранять свой организм от чрезмерных потерь воды. Поэтому-то ящерицы на Кавказе снуют в зеленой влажной траве в дневные часы, а в знойной и иссушенной пустыне Каракумы они охотятся за пищей ночью.

У крупных животных — волков, медведей и других хищников — ритм жизни зависит от времени активности их жертв, т. е. связан с возможностями добывания пищи. Эти же животные в зоопарках и цирках, получая готовую еду, активны днем.

В научной литературе приводятся интересные данные, касающиеся африканских буйволов. В конце XIX в. их многочисленные стада паслись днем на открытых пространствах. Но разразившаяся пандемия чумы почти целиком уничтожила их. Оставшиеся в живых животные ушли в леса и болота и перешли на ночной образ жизни. Когда же численность буйволов вновь сильно увеличилась, они вернулись на прежние места и снова стали вести дневной образ жизни.

Изучение цикличности сна и бодрствования на протяжении суток, времени наступления зимней спячки, летней активности и размножения многих животных отнюдь не ограничивается одним научным интересом, а имеет большое практическое значение.

Известно, что многие представители животного мира — мыши, крысы, белки, суслики, хомяки, сурки, песчанки, тушканчики — являются резервуарами чумы, туляремии, пендинской язвы и других болезней, и меры их обезвреживания и уничтожения должны быть увязаны с ритмом их жизнедеятельности, только в этом случае они будут эффективны.

Многочисленные представители отряда насекомых, такие, как саранча, колорадский и майский жуки, сосновый и сибирский шелкопряд, жуки-усачи, жуки-короеды,— злейшие враги лесов, садов и многих сельскохозяйственных культур. Так что знание того, что лёт серых бабочек сибирского шелкопряда (во время которого они откладывают мельчайшие зеленые яйца на хвою) бывает в июле — августе, и того, когда из них выводятся страшные своей прожорливостью гусеницы, помогает вовремя сделать клеевые кольца на стволах деревьев, опылить их с самолетов и применить другие действенные меры защиты от них наших лесов.

Среди представителей животного мира попадаются и такие, которые бывают активны и днем и ночью, например русский и куринский осетры, стерлядь, балтийский лосось. Таковы же некоторые виды хорьков, полевок, пеструшек. Есть и такие виды животных, которые спят и бодрствуют много раз в сутки. Известно, что свиньи и кошки засыпают и пробуждаются до 15 раз за этот промежуток времени. Их называют поэтому полифазными.

У человека количество фаз деятельности и отдыха меняется на протяжении жизни: дети и старики являются полифазными, а взрослые обычно монофазны, т. е. спят и бодрствуют по одному разу в сутки.

Многочисленные наблюдения и опыты подтверждают, что самым главным синхронизатором биологических ритмов у животных и человека является свет. Ведь за одни сутки освещенность в одном и том же пункте земной поверхности (где есть смена дня и ночи) может изменяться в 300 миллионов раз! За 24 часа меняются температура, влажность, ветер. Но эти метеорологические факторы, как и шумы, запахи, время еды и т. д., действуют слабее, чем изменение освещения.

Суточное вращение Земли вызывает у растений, животных и человека волны жизни с периодом, близким к 24 часам, но не равным этому промежутку времени. Это связано отчасти с тем, что в большинстве районов земного шара (кроме экваториальных областей) число часов светлой части суток меняется на протяжении года. Такие ритмы, по продолжительности приближающиеся к суткам, называются циркадными (circa— «около», dies — «день, сутки»).

Для сохранения суточной ритмичности физиологических функций человека и дневных животных важно совпадение периода бодрствования с дневным светом, а не с ночной тьмой. Вот почему полярники в Арктике и Антарктиде переносят летний непрерывный день значительно легче, чем непрерывную зимнюю ночь. Поэтому же максимум активности физиологических процессов у сотрудников метрополитена, долго работающих в ночной смене, падает все же на дневные часы.

Весь человеческий организм охвачен суточным ритмом, причем в дневное время в нем преобладают процессы, обеспечивающие деятельность, а в ночное — способствующие бесперебойному сну.

В последнее время медиками установлено, что соп является активной деятельностью организма, весьма важной, только иначе организованной, чем дневная жизнь.

Недаром животные и человек дольше могут сохранять свою жизнь без еды, чем без сна, который является приспособительно-целесообразным процессом, выработанным для того, чтобы сохра­нить правильную и бесперебойную работу всех систем организма. Он обеспечивает накопление энергетических запасов, и без него невозможно обойтись. Во время сна усиливаются процессы пере­варивания пищи и всасывания питательных веществ, что весьма важно для восстановления сил, сохранения здоровья, работоспособности и долголетия.

В светлую часть суток увеличивается двигательная активность, интенсивность обмена веществ и связанные с ними температура тела и дыхание. Наследственный характер этих процессов под­тверждается тем фактом, что рост температуры тела и усиление дыхания наблюдается и у дневных животных, ведущих неподвижный образ жизни, а также у больных людей, длительное время лежащих без движения. Обмен веществ протекает в наследуемом из поколения в поколение циркадном ритме. В известной степени обмен веществ независим от температуры окружающей среды, когда она изменяется в пределах от плюс 5 до 35°. Температура влияет только на величину амплитуды ритма, а не на длительность самих циклов. Каждый процесс, совершающийся в организме, имеет свою оптимальную температуру, при которой он наиболее силен, причем для разных процессов она не является одинаковой.

В человеческом теле насчитывается около ста процессов, подчиняющихся строгому циркадному ритму.

У людей, ведущих нормальный образ жизни и питающихся три раза в день, цикличность в деятельности органов пищеварения такова: в первую половину дня печень выделяет наибольшее количество желчи, которая необходима для переваривания белков и жиров, расходуя запасенный ею углевод — гликоген (животный крахмал) — и превращая его в простые сахара. Она отдает воду, образует много мочевины и накапливает жиры. Поэтому важно, чтобы утром и днем была получена суточная норма этого рода пищи.

Во второй половине дня печень начинает перерабатывать и усваивать сахара, накапливая гликоген и воду. Вследствие этого ее клетки увеличивают объем в три раза. Вот почему желательно, чтобы в это время в рационе преобладали углеводы и объем пищи к вечеру уменьшался по сравнению с утренними и дневными часами.

Меньше всего гликогена в печени содержится около 15 часов дня, а больше — в предутренние часы (около трех часов ночи). Этот цикл впервые установили шведские ученые Г. Агрен, О. Виландер и Е. Жорес в 1931 г. Их открытие имело важные следствия для медицины и в сильной степени стимулировало изучение циркадных ритмов и всего, что связано с «биологическими часами» организмов.

Ведь лечение диабета и болезней пищеварительного тракта, оценка анализов и построение правильных и лечебных рационов могут проводиться только на этой основе.

Издавна существует изречение: «Желудок — верный наш брегет» (часы), так как перистальтика кишечника, выделение желудочного сока, а следовательно, и аппетит имеют строгое суточное расписание. Особенно сильными эти процессы бывают в первую половину дня. В лабораторных условиях были проведены интересные наблюдения за извлеченным из организма маленьким ку­сочком кишечника. Он в течение трех дней продолжал двигаться, сокращаясь сильнее в дневное время и слабее в ночное, сохраняя свой прежний циркадный ритм.

Строго ритмично работает и наше сердце. Недаром существует рассказ, что знаменитый Ньютон, изучая закон качания маятника, пользовался, как часами, ударами своего пульса.

Не только сердце, но и все органы кроветворения: селезенка, костный мозг, лимфатические узлы, в которых вырабатываются клетки крови,— работают циклично. На протяжении суток в циркулирующей крови не остается постоянным и количество клеток крови, меняется в ней и содержание красных и белых телец. Это связано с поступлением сахара, от которого зависит способность клеток к делению. С увеличением количества гормона — адреналина — в крови, как бы выталкивающего сахар из клеток, процесс их непрямого деления ослабляется.

Максимум гемоглобина в крови бывает с 11 до 13 часов, а минимум — с 16 до 18 часов. Эта цикличность также учитывается при анализах и лечении.

Сердце человека, когда он находится в покое, в одну минуту перекачивает около 5 литров крови. Сердечная мышца может производить такую поистине гигантскую работу потому, что она работает в определенном ритме.

В течение суток меняется и содержание в крови калия, магния, натрия, кальция, железа. Ночью в ней повышается количество солей магния, а в мозговой жидкости — солей калия. Оба этих химических вещества гасят нервно-мышечную возбудимость и способствуют спокойствию сна.

В ночное время сердце бьется медленнее, удары пульса становятся более редкими, уменьшается количество крови, которое сердце прогоняет по организму, снижается артериальное давление.

В эту пору ослабления сердечной деятельности в предутренние часы максимальное за сутки количество крови скапливается в легких, что вызывает у легочных больных тяжелые приступы кашля, увеличивающие нагрузку на сердце. Учет этой фазы циркадного ритма позволяет медикам поддерживать в это время лекарствами ослабленное сердце, облегчить кашель и улучшить самочувствие и течение болезни у страдающих легочными недугами людей.

По суточному графику работает и вегетативная нервная система, «заведующая» деятельностью сердца, легких, желудка и других внутренних органов. Оба ее отдела: симпатический и па­расимпатический — не являются антагонистичными. Однако тонус симпатического отдела бывает повышенным в дневное время. Он воздействует на увеличение кровяного давления, перистальти­ки кишечника, потоотделения. В эти часы в крови появляется больше гормонов, обеспечивающих поступление в нее сахара и возбуждение нервных клеток.

Парасимпатический отдел бывает более деятельным в ночное время. Он затормаживает работу сердца, желудка, системы крови и т. д.

С изменением тонуса симпатической и парасимпатической нервной системы связан и периодизм в работе желез внутренней секреции: гипофиза, щитовидной и околощитовидной, поджелудочной, надпочечников, половых.

‘ Механизм действия биологически активных веществ — гормонов, выделяемых этими железами, не вполне еще выяснен. Предполагается, что они способны изменять концентрацию ферментов (латинское слово fermentum — «закваска»). Эти сложные белковые вещества способны в миллионы раз ускорять углеводный, жировой и водный обмен, а также влиять на теплорегуляцию, про­цессы окисления и рост организма.

Так, известно, что надпочечники выделяют несколько групп активных веществ, в том числе адреналин и норадреналин. Первый из них повышает обмен веществ, артериальное давление, усиливает и учащает сердцебиение, ускоряет дыхание. Под его влиянием гликоген печени превращается в сахара, легко окисляемые в тканях тела.

Норадреналин же служит передатчиком команды от симпатической нервной системы к сердцу. При уменьшении его резервов снижается управляемость сердца и сила его сокращений, т. е. на­ступает сердечная недостаточность, с которой необходимо бороться лекарственными средствами, воздействуя на симпатическую нервную систему. Значительные уменьшения концентрации норадреналина (в 4—6 раз) наблюдаются при перегрузках сердца, когда масса сердечной мышцы сильно увеличивается. Это важное открытие сделали академик В. В. Парии, профессор Ф. З. Меерсон, доктор биологических наук Б. Н. Манухин и кандидат биологических наук М. Г. Пшенникова в лаборатории экспериментальной кардиологии Института нормальной и патологической физиологии Академии медицинских наук СССР.

Изменениями солевого состава организма «ведают» околощитовидные железы. Они «следят» за концентрацией водородных ионов в клетках. Их деятельность, как и работа поджелудочной железы, выделяющей инсулин (который переводит сахар в гликоген и понижает количество сахара в крови) и антиинсулин — глюкагон (способствующий расходу гликогена в клетках печени и увеличивающий содержание сахара в крови), также имеет циркадную цикличность.

Статистика утверждает, что даже рождение и смерть чаще случаются в темную часть суток, около полуночи, что является еще одним аргументом в пользу того, что всем жизненным явлениям присуща ритмичность.