УЧЕНИЕ О БИОЛОГИЧЕСКИХ РИТМАХ

Государственное образовательное учреждение высшего
профессионального образования «Ставропольская государственная
медицинская академия» Министерства здравоохранения и социального
развития Российской Федерации
КАФЕДРА БИОЛОГИИ С ЭКОЛОГИЕЙ
А.Б.Ходжаян, Н.Н. Федоренко, Л.А. Краснова
УЧЕНИЕ О БИОЛОГИЧЕСКИХ РИТМАХ
МЕТОДИЧЕСКАЯ РАЗРАБОТКА
ДЛЯ СТУДЕНТОВ І КУРСА СтГМА
(дополненное)
СТАВРОПОЛЬ,
2009
УДК 577.3
Учение о биологических ритмах /методическая разработка для
студентов 1-го курса СтГМА/ - Издание 2-е, дополненное. - Ставрополь.
Изд.: СтГМА, 2009, -11 с.
В методических разработках «Учение о биологических ритмах» даны:
короткая историческая справка, основные представления по классификации
и параметрах биоритмов, а также о механизмах циркадианной временной
организации биологических систем. Эти знания необходимы студентам
медицинского вуза для изучения вопросов хрономедицины на последующих
курсах обучения.
Составители: д.м.н., проф. А.Б.Ходжаян
к.м.н., доц. Н.Н.Федоренко
к.м.н., доц. Л.А.Краснова
Рецензент: к.пед.н., доцент кафедры общей биологии СГУ Р.Н. Мищенко
Рекомендовано к печати редакционно-издательским советом СтГМА
© Ставропольская государственная
медицинская академия, 2009
-2-
УЧЕНИЕ О БИОЛОГИЧЕСКИХ РИТМАХ.
Одним
из
фундаментальных
свойств
всего
материального мира, как живого, так и неживого,
является цикличность (периодичность) процессов и
явлений. Это свойство присутствует на всех уровнях организации живой
материи, начиная от клетки и кончая биосферой. Источники учения о
биоритмах уходят в глубь веков, однако первые экспериментальные
наблюдения по биологическим ритмам появились в 18-19 веках.
Основоположником учения о биоритмах считают немецкого учёного
Кристофера Гуфелянда. В 1797 году он опубликовал статью о
существовании в живых организмах «внутренних часов», ход которых
совпадает со временем вращения Земли вокруг своей оси, и
рассогласованность таких внутренних ритмов является причиной ряда
заболеваний.
На ритмичность биологических процессов позже указывали такие
отечественные учёные, как И.И.Сеченов, В.М.Бехтерев и И.И.Павлов.
Павлов писал: «В жизни человека нет ничего более властного, чем ритмы».
Фундаментальные работы по биологическим ритмам и их связи с
космическими ритмами (активностью солнца, фазами Луны) появляются
начиная с первой четверти XX века. В 1928 году швед Е.Форсген публикует
статью, где в экспериментах на кроликах показывает суточную ритмичность
гликогенообразования и желчеобразования в печени. Примерно в это же
время публикуются работы отечественного учёного А.Л.Чижевского по
изучению ритмов солнечной активности и связанной с этим
периодичностью болезней растений, размножения животных, появлением
среди людей эпидемий и колебаний рождаемости и смертности, частоты
несчастных случаев и др.
В 1935 году по инициативе Форсгрена создаётся международное
общество по изучению биоритмов. К 1955 году было изучено около 40
биоритмов у человека. Сейчас не известно ни одной функции, которая не
имеет суточного ритма.
В 1960 году в Америке происходил первый международный
симпозиум по биоритмам и было принято решение назвать науку о
биологических ритмах хронобиологией. В 1970 г. формируется
Международное общество хронобиологов, а в 1990 г. создаётся Ассоциация
хронобиологов СССР.
Согласно хронобиологическим представлениям в организации живых
систем существенное значение имеют не только пространственные, но и
временные отношения, и временной фактор является определяющим в
реакциях организма на внешнее воздействие. При этом полагается, что ритм,
будучи элементарной единицей времени той или иной системы, выступает
-3-
индикатором естественной самоорганизации. За счёт ритмов осуществляется
согласование и корреляция физиологических функций как между собой
внутри организма. Так и их синхронизация с ритмами внешней среды.
Ритмичность, в конечном счете, определяет динамически-стереотипную
организацию биологических процессов во времени.
Современная хронобиология междисциплинарная наука. Она
включает в себя методы представления других естественнонаучных
дисциплин (молекулярной биологии, генетики, биохимии, биологии,
морфологии и др.), хронобиология пользуется также достижениями точных
наук (математики, физики).
Наиболее важные обобщения, сделанные к настоящему времени
хронобиологией, следующие:
1. Биологические ритмы обнаружены на всех уровнях организации
живой природы - от клеточных до сложноустроенных многоклеточных
организмов животных и растений. И от молекулярных и субклеточных
структур до биосферы. Это свидетельствует о том, что биологическая
ритмика - одно из общих свойств живых систем.
2. Биологические ритмы признаны важнейшим механизмом регуляции
функций организма, включающим принцип обратной связи и
обеспечивающим гомеостаз, динамическое равновесие и процессы
адаптации в биологических системах.
3. Установлено, что биологические ритмы, с одной стороны, имеют
эндогенную природу и генетически закреплены, а с другой стороны, их
осуществление тесно связано с модифицирующим действием факторов
внешней среды, так называемых датчиков времени (внешних по отношению
к биологической системе). Эта связь лежит в основе единства организма со
средой и во многом определяет экологические закономерности.
4. Ритмичность биологических процессов - важный фактор
надёжности биологических систем. Периоды спада любого процесса можно
рассматривать как условия для восстановления энергетических ресурсов,
необходимых во время подъёма функций организма.
КЛАССИФИКАЦИЯ БИОРИТМОВ
Биоритмы классифицируются, прежде
всего, на основании длины периода, под
которым понимается длительность одного полного цикла ритмического
колебания. С учётом длины периода выделяют: высокочастотные,
среднечастотные и низкочастотные ритмы.
-4-
Высокочастотные ритмы это те, у которых период менее 30 минут.
Такой период имеют у человека дыхание, биологическая активность
головного мозга и сердца, перестальтика желудка и кишечника и др.
Среднечастотные ритмы - от 30 минут до 5 суток. Они делятся на:
ультрадианные, циркадианные, инфрадианные. Ультрадианные имеют
период колебаний от 30 минут до 20 часов. Циркадианные (околосуточные)
– это те, у которых период составляет от 20 до 28 часов. Инфрадианные – с
периодом от 28 часов до 5 суток.
Среди среднечастотных ритмов наибольшее значение имеют
циркадианные ритмы, которые управляют суточным распорядком
жизнедеятельности на всех уровнях организации - от клеток до целостного
организма. В основе циркадианной организации функций лежит
периодическая смена бодрствования и сна. Дневное бодрствование
определяется, прежде всего, активностью центральной нервной системы.
Суточные колебания характерны для работы практически всех систем
органов:
сердечно-сосудистой,
дыхательной,
пищеварительной,
выделительной. Циркадианные колебания работы этих систем во многом
определяются состоянием вегетативной нервной системы и эндокринных
желёз. Так, ночью преобладает тонус парасимпатического отдела
вегетативной нервной системы, а днём – симпатического. К концу ночи, за
несколько часов до пробуждения, включается гипоталамо-гипофизарная
система.
Она начинает усиленно вырабатывать либерины, которые
стимулируют гормонообразование в передней доле гипофиза. В свою
очередь тропные гормоны гипофиза стимулируют работу надпочечников,
щитовидной железы, инсулинообразование поджелудочной железы.
Околосуточные колебания присущи также температуре тела и тканевому
обмену веществ.
Организация и поддержание циркадианных ритмов определяется
комплексом экзогенных факторов. Ведущим среди экзогенных датчиков
времени служит смена дня и ночи.
Циркадианные ритмы различных процессов в организме чётко
согласованны друг с другом, образуя единую циркадианную систему.
Низкочастотные биоритмы в зависимости от длины периода делят
на:
1.недельные (длина периода 7 суток);
2.месячные (длина периода 28-32 дня);
3.сезонные (колебания функций в течение сезонов года);
4.многолетние ритмы (с периодом в: 11 лет, 22 года, 60-80
лет, 600-800 лет и далее).
-5-
ПАРАМЕТРЫ БИОРИТМОВ
Среди многих параметров, свойственных
биологическим ритмам, прежде всего, следует
выделить период. Он представляет собой тот
промежуток времени, через который в организме
происходит воспроизведение (повторение) событий.
Иными словами, ритм – это длительность одного
колебательного цикла.
Биологический ритм характеризует его
амплитуда,
отражающая
размах
колебаний
биологического процесса между его кратными значениями.
Очень важной характеристикой служит также и мезор – средний
уровень колебательного процесса. Амплитуда по существу – это
максимальное отклонение от мезора.
В биоритмах выделяют также то положение функций во времени,
когда она достигает кратных значений. Время, когда функция имеет
максимальное значение, называется акрофазой, а когда минимальное –
батифазой. Они выражаются в часах или градусах.
Ф
А
а
М
В
А
t
0
1
2
3
4
5
ав - период
А – амплитуда
М - мезор
Ф - функция
t- время
-6-
6
7
8
Формирующиеся в ходе онтогенеза биологические ритмы организма
образуют сложную систему, в которой ритмы с большим периодом
модулируют ритмы с меньшим периодом на основе индивидуальной
временной шкалы данного организма. Последняя имеет собственные
индивидуально-типологические особенности.
Воздействия окружающей среды на организм человека могут иметь
как закономерный характер (определенный стереотип), но могут носить и
непредсказуемый характер (стрессорные факторы). Для того, чтобы
наиболее оптимально отреагировать на закономерно наступающие
изменения внешней среды, организм должен обладать широким спектром
значений функций, которые должны носить упреждающий характер. То есть
организм должен быстро найти среди всего диапазона выраженности
функций те их значения, которые были бы наиболее адекватны данной
ситуации.
ПРОИСХОЖДЕНИЕ БИОРИТМОВ
Биологические
ритмы
начали
формироваться одновременно с зарождением
жизни на Земле. Поначалу ритмичность
выражалась в автоколебаниях химических
реакций. В дальнейшем по мере организации
примитивных животных систем ритмы
биохимических реакций синхронизировались между собой и с окружающей
средой. Возникла определенная упорядоченность реакций во времени и
пространстве. В процессе естественного отбора получали преимущество и
дальнейшего развития только те примитивные живые системы, внутренние
биохимические циклы которых имели устойчивый характер и совпадали с
ритмами внешней среды (геофизическими датчиками времени: свет,
температура, магнитное поле, электромагнитные излучения). Среди всей
суммы внешней среды наибольшее значение для адаптации примитивных
живых систем к жизни на Земле имели суточные ритмы, связанные с
вращением Земли вокруг своей оси. В процессе эволюции сохранились и
получили развитие только те живые системы, в которых внутренние ритмы
биохимических реакций синхронизировались с ритмами внешней среды и, в
первую очередь, с суточными ритмами.
Таким образом, если рассматривать природу ритма, то ритм имеет
эндогенное происхождение, однако формирование этих ритмов шло под
воздействием среды. В настоящее время установлено, что организм и
любого другого живого существа – это система жизнедеятельности,
подчиняющаяся ритму.
-7-
Наиболее важное практическое значение имеют суточные ритмы,
которые интегрированы (объединены) в единую, сложную
систему,
называемую циркадианной временной системой. Эта система обеспечивает
временное согласование функций внутри организма
и временную
адаптацию организма к внешней среде.
МЕХАНИЗМЫ ЦИРКАДИАННОЙ
ВРЕМЕННОЙ СИСТЕМЫ
Существует три модели функционирования
циркадианной временной организации:
1-я
модель:
Моноосцилляторная
иерархическая. Суть её: один центральный
циркадный осциллятор (пейсмекер) регулирует на
ритмы внешней среды и задает по нервно-гуморальным путям регуляции
ритмы другим органам и системам органов.
Центральный циркадианный осциллятор у млекопитающих – это
супрахиазменные ядра гипоталамуса. У птиц такой осциллятор – эпифиз
(шишковидное тело, рудимент третьего глаза).
2-ая
модель:
Мультиосцилляторная
иерархическая
(много
осцилляторов).
Согласно этой модели, наряду с центральным осциллятором (в
головном мозге), имеются периферические автономные осцилляторы в
нервных центрах, ганглиях, железах внутренней секреции, а также в органах
и клетках, управляемых сверху-вниз без обратимой связи с внешней средой.
3-я модель: Мультиосцилляторная неиерархическая. Существует
несколько групп автономных осцилляторов, связанных между собой. В
каждой группе имеется свой центральный водитель ритмов (пейсмекер),
связанный с ритмами внешней среды и синхронизирующий колебания
внутри своей подсистемы по принципу прямых и обратных связей.
Большинство ученых считает, что, несмотря на наличие автономных
осцилляторов (органных), видимо, существует центральный осциллятор,
которым у млекопитающих и человека являются супрахиазменные ядра
гипоталамуса и эпифиз. Функция последнего во многом определяется
супрахиазменными ядрами, так как через эти ядра эпифиз получает главную
информацию о состоянии внешней среды.
-8-
ЗНАЧЕНИЕ ХРОНОБИОЛОГИИ ДЛЯ
МЕДИЦИНЫ
Медицина и биология в настоящее время
вплотную подошли к концепции хронопсии (от
греч «chronos» – время, «opsis» - рассмотрение),
т.е. к рассмотрению процессов нормы и патологии
в проекции на определённые отрезки времени (в
течение суток, месяцев, сезонов и т.д.).
Рассогласование биоритмов (десинхроноз) является, как показывают
исследования, первым сигналом о биологическом неблагополучии, которое
может рассматриваться как предпатология или патология. Это позволяет
обеспечить раннюю диагностику заболеваний, более эффективное лечение и
профилактику.
Важным показателем нормы и патологии функций организма является
такой параметр как хронодесм (доверительный интервал) - диапазон
суточных колебаний функции в норме. Это значит, что в разное время суток
показатель нормы колеблется в разных пределах, и, следовательно, один и
тот же показатель функции в одно время суток в норме будет иметь одну
количественную характеристику, а в другое время – другую.
Другим важнейшим показателем преломления времени в жизни
является хроностезия - разная чувствительность организма к одному и
тому же физическому или химическому воздействию или к лекарствам в
разное время суток. Например, более высокая чувствительность человека к
такому хорошо всем известному антибиотику, как пенициллин,
зарегистрирована в вечерние часы и во время сна; стоматологи знают, что
чувствительность зубов к болевым раздражителям максимальна в 16 часов и
минимальна в утренние часы, поэтому они стремятся наиболее болезненные
процессы выполнять утром.
Профилактическая медицина в настоящее время также начинает
учитывать динамику биоритмов. Так, например, отечественными врачами
показано, что вакцинация детей против кори должна проводиться только в
первой половине дня, т.к. во второй половине дня развиваются более
выраженные прививочные реакции, нарушается суточный режим
физиологических функций.
В настоящее время, по существу, к любому медико-биологическому
направлению
следует,
видимо,
применять
приставку
«хроно»
(хронотерапия, хронофармакология, хронофизиология, хронопрофилактика
и т.д.). Знание биологических ритмов дает врачам и биологам важный
инструмент для оценки функционального состояния организма и
определения оптимальных значений физиологических функций во
-9-
временном аспекте, как на предсказуемые, так и непредсказуемые
воздействия.
ЛИТЕРАТУРА:
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
Агаджанян Н.А. Биологические ритмы. М.: Медицина – 1967.
Арушанян Э.Б. Биоритмы и мы. Ставрополь, 1989.
Арушанян Э.Б. Основы хронофармакологии. Ставрополь,1989.
Дильман В.М. Большие биологические часы. М.: Наука – 1988.
Доскин В.А., Лаврентьева Н.А. Ритмы жизни. М.: Медицина –
1991.
Калинская Ю.Г. Суточные ритмы в метаболизме. Пущино. ОНТН
НЦБИ АН СССР, 1987.
Моисеева Н.И., Сысуев В.М.. Временная среда и биологические
ритмы. Ленинград, «Наука». 1981.
Хронобиология и хрономедицина. Под ред. Ф.И.Комарова. М.:
Медицина – 1989
Ягодинский В.Н.. Ритм, ритм, ритм! М., изд-во «Знание», 1985
- 10 -
УЧЕНИЕ О БИОЛОГИЧЕСКИХ РИТМАХ
Методические разработки для студентов 1-го курса СтГМА.
Издание 2-е, дополненное
Составители: д.м.н., проф. А.Б. Ходжаян,
к.м.н., доц. Н.Н.Федоренко,
к.м.н., доц. Л.А. Краснова
ЛР №020326 от 20января 1997г.
Сдано в набор 12.07.09. Подписано в печать 12.07.09.Формат 60х901/16
Бумага типог. №1. Печать офсетная. Гарнитура офсетная. Усл. печ. л.3,3.
Уч.-изд.л. 3,5. Заказ 224. Тираж 100.
Ставропольская государственная медицинская академия,
355017, г.Ставрополь, ул. Мира,310.
- 11 -