Физиологические и генетические механизмы формирования биоритмов.

В 1972 году американские исследователи Роберт Мур и Виктор Эйхлер показали, что циркадным ритмом млекопитающих управляет супрахиазматическое ядро (СХЯ). Оно расположено в гипоталамусе на уровне основания носа позади глаз над перекрестом зрительных нервов, связана с шишковидной железой (эпифизом – железа внутренней секреции в промежуточном мозге). Его считают центральным водителем ритма, который настраивается с помощью световых сигналов, поступающих от сетчатки глаза. СХЯ обрабатывает информацию о длине светового дня и посылает сигнал в эпифиз, где секретируется гормон мелатонин. Мелатонин - естественный хронобиотик (регулятор биологического ритма). Его называют "гормон ночи"(гормона сна), так как он образуется преимущественно в темное время суток. Около двух часов ночи концентрация мелатонина максимальна - в 30 раз больше, чем днём. Зимой, когда световой день короткий – этого гормона вырабатывается больше, чем в летнее время. Снижение концентрации мелатонина наблюдается во время магнитной бури. Циркуляция мелатонина является важным нейроэндокринным маркером начала, окончания и продолжительности периода темноты для биологической организации позвоночных. Установлено, что мелатонин является антиоксидантом, нейтрализующим свободные радикалы, улучшает иммунитет, препятствует росту раковых опухолей, замедляет процессы старения органов и тканей организма, способствует восстановлению и нормальной работе нервной системы человека. Препарат "мелатонин" назначают в качестве снотворного, для нивелирования влияния магнитных бурь на больных с сердечно-сосудистой патологией.

Координация многочисленных ритмических процессов в организме осуществляется благодаря циклической деятельности гипоталамо-гипофизарной системы. Гипоталамус посредством рилизинг-гормонов регулирует тропные функции аденогипофиза. В соответствии с циркадными ритмами центрального гипоталамо-гипофизарного звена изменяется секреторная активность периферических эндокринных желез.

Молекулярный часовой механизм в супрахиазматическом ядре представлен несколькими основными «часовыми» генами, обеспечивающих циркадианный ритм (Per1, Per2, PerЗ, Cry-1, Cry-2, Clock, Bmal1/Мор3, Tim и др.). Активация генов постепенно ослабляется через механизм обратной связи. Гены Period (Per) были впервые обнаружены в 1971 году с помощью техники картирования генов на Х хромосоме дрозофилы, а ген Сlock (circadian locomotoroutput cycles kaput - «циркадный прерыватель циклов двигательной активности») - в начале 1990-х годов.

Белки-активаторы генов BMAL1 и CLOCK связываются с регуляторным участком ДНК (E-box), при этом «включаются в работу» часовые гены Per и Cry (Cryptochrome). Это происходит рано утром, а к полудню нарабатывается максимальное количество белков PER и CRY. Они увеличивают частоту сердечных сокращений, сужают сосуды, повышая, артериальное давление. Вследствие этого большее количество кислорода поступает в мозг, и нервные клетки вступают в активную фазу. Сонливость в течение дня – признак недостатка экспрессируемого генами белка. Белки накапливаются в клеточной цитоплазме, а в ночной период постепенно возвращаются в ядро и гасят активность белков BMAL1 и CLOCK, образуя с ними прочный комплекс, что приводит к блокировке генов Per и Cry. Потом белки PER и CRY постепенно распадаются, и молекулы BMAL1 и CLOCK высвобождаются, чтобы начать новый суточный цикл в клетке - включить часовые гены Per и Cry. Суммарная продолжительность такого циклического процесса составляет около 24 часов. По данным публикаций американских ученых в 2012 году, сложный цикл биохимических реакций, направленных на пробуждение запускает белок JARID1a, активируя по принципу каскада другие гены. Белок кодирует ген KDM5A.

Основой периодических изменений функций организма человека являются суточные биоритмы. Благодаря им человек может напряженно работать в часы оптимального состояния организма, используя периоды относительно низкого функционирования для восстановления сил. Амплитуда одних функций может значительно увеличиваться в течение суток, других - уменьшаться, а третьих - изменяться вокруг среднего уровня в ту или другую сторону. Например, допустимо превышение концентрации биологически активных веществ в крови на 50% среднесуточной величины, а температура тела может колебаться лишь в пределах 1°С.

Ведущую роль в координации циклических процессов в организме играют циркадианные колебания функциональной активности нервной системы. Суточные колебания тонуса вегетативной нервной системы тесно связаны с циклом свет-темнота и, соответственно, сон-бодрствование. Тонус симпатической части ВНС преобладает в период дневной активности, парасимпатической части – во время ночного сна. Биоритм этих систем связан с работой эпифиза, в котором продуцируется мелатонин, и другими структурами центральной нервной.

Не менее важен температурный ритм. Ночью температура тела человека самая низкая, к утру она повышается и достигает максимума к 18 часам. Синхронны с температурным биоритмом ритмы артериального давления, частоты пульса, дыхания. Наибольшая частота сердечных сокращений наблюдается к 18 часам. В это же время отмечается повышение артериального давления крови. Наименьшие показатели пульса бывают около 4 часов, а артериального давления - примерно около 9 часов. Установлено, что утром повышается внутриглазное давление, наблюдается максимальное количество гемоглобина, сахара и адреналина в крови. Максимум адреналина обнаруживается в 9 часов, что обуславливает достаточно высокую психическую активность человека в первой половине дня. Максимум секреции тропных гормонов проявляется во время ночного сна. У мужчин увеличение секреции гонадотропинов на протяжении суток происходит несколько раз, а у женщин минимальный уровень лютеинизирующего гормона определяется в начале ночного сна, плавно нарастая в дальнейшем. Циклично работает и пищеварительная система. В первой половине дня усилены моторная деятельность желудка и перистальтика кишечника, печень расходует запасенный гликоген, максимально продуцирует желчь, поэтому это оптимальный период для переваривания и накопления белков и жиров. Во второй половине дня печень начинает ассимилировать сахара, накапливает гликоген и воду. Физиологически обоснованным является прием белковой пищи в первой половине дня, а углеводной и молочной - во второй.

Характерные изменения в течение суток претерпевает и биоэлектрическая активность мозга. Ночью у человека снижается память, мышечная сила, отмечается замедленность в действиях, увеличивается число ошибок при решении арифметических задач.

На М-образной физиологической кривой работоспособности отчетливо прослеживаются два главных периода активности (между 10 и 12 часами и 16 и 18 часами). К 14 часам и в вечерние часы работоспособность падает. Биологическое значение естественных суточных колебаний физиологических функций состоит в обеспечении высокой активности, выносливости и работоспособности человека днем и, соответственно, отдыха и восстановления ночью. В современной науке суточные ритмы человека используют в качестве универсального критерия оценки состояния здоровья.

Хронотипы человека

Биологические ритмы, как и любое свойство организма, обладают индивидуальными особенностями. Разнообразие кривых суточного ритма определяется, с одной стороны, внешними условиями, с другой - внутренними свойствами организма: состоянием здоровья, возрастом, конституциональными особенностями. Суточный цикл, один из основных циклов, влияющих на работоспособность человека. Однако не все люди испытывают однотипные колебания работоспособности в течение суток. В приложении к человеку широкое распространение получила биоритмологическая классификация, основанная на индивидуальных различиях по фазам максимальной умственной и физической работоспособности.

Так называемые «жаворонки» - люди, которые предпочитают работать в первой половине дня, их суточные ритмы (прежде всего температура тела) имеют максимумы, смещенные на более ранние часы относительно среднестатистических значений, они рано просыпаются, чувствуют себя наиболее бодрыми и работоспособными в первой половине дня, вечером испытывают сонливость и рано ложатся спать. Рано утром предпочитали работать Лев Толстой, Антон Чехов.

«Совы» засыпают далеко за полночь, просыпаются поздно и встают с трудом, так как наиболее глубокий период сна у них утром. Они более работоспособны во второй половине дня и даже ночью (отставание фазы сна). Максимум температурного режима у них смещен на более поздние часы. Такие лица легче приспосабливаются к работе в ночную смену и трехсменному труду. «Сов» на 15% больше, «чем жаворонков». Ночью предпочитали работать Оноре де Бальзак, Дмитрии Менделеев.

Аритмики или «голуби» - люди дневного типа. Их циркадный ритм наиболее приспособлен к обычной смене дня и ночи. Период их наилучшей умственной и физической активности отмечается с 10 до 18 часов. Они лучше адаптированы к смене света и темноты и могут успешно трудиться в любое время дня. К данному типу относятся около 50% людей.

Шведский ученый Остберг, считает, что у «жаворонков» собственный период циркадного ритма менее 24 часов, а у «сов» - около 25 часов. Знания этих особенностей позволяет наиболее рационально распределять трудные и легкие, ответственные и не очень дела в течение рабочего дня и чередовать их необходимым образом в соответствии с колебаниями трудоспособности.

В эндогенном годовом цикле человека кроме сезонных биоритмов есть внутригодовые индивидуальные биоритмы, не зависящие от календарного года. Первый годовой эндогенный цикл отсчитывается от даты оплодотворения и завершается через три месяца после рождения ребенка. В каждом эндогенном цикле наиболее благоприятным для проявления большинства качеств личности является первый месяц жизни после дня рождения, а наиболее опасным периодом – месяц перед датой рождения. В этот период критического риска люди подвержены респираторным и сердечно-сосудистым заболеваниям, увеличивается вероятность летального исхода от инфаркта миокарда, снижается работоспособность, у детей чаще развиваются осложнения после прививок. Установив критическую зону индивидуального года, можно с учетом ее спланировать рациональный режим труда и отдыха на этот период.