Биоритмы, биосимметрия — результат эволюционной адаптации

Приспособление животных и человека к воздействиям био­логической и социальной среды шло по пути формирования внутренних механизмов, т.е. биоритмов — равномерных чередо­ваний во времени различных состояний организма, биологиче­ских процессов или явлений, которые человек в норме даже не замечает (циклические колебания температуры, циклы быстрой и медленной активности мозга, физиологических процессов и др.). Биоритмы являются биологическими часами организма. Большинство биологических ритмов у растений, животных и че­ловека выработалось в процессе эволюции жизни на Земле под воздействием различных факторов среды, прежде всего косми­ческих излучений, электромагнитных полей и др.

Ритм — универсальное явление, повторяющееся на всех уровнях биосферы. Считают, что в работе человеческого орга­низма можно выделить не менее 300 биоритмов различной про­должительности, среди которых ведущим является циркадный, или суточный, ритм. Существует два типа ритмов: экзогенные, обнаруживающие периодический характер изменений в связи с циклически действующими раздражителями внешней среды, и эндогенные, происходящие в организме относительно незави­симо от факторов внешней среды и чаще всего генетически за­программированные. Так, ритмы сердечных сокращений и ды­хания у здорового человека осуществляются независимо от тем­пературных, световых и других воздействий внешней среды. Зимняя спячка животных, таких как медведь, золотистый суслик и др., происходит не только в климатическом режиме суровых зим, но и в лабораторных условиях, как при температуре 0 °С, так и при обычной комнатной температуре.

Если бы у животных не было выработано генетически запро­граммированного ритма, то затяжные осенние непогоды и вне­запные снежные бури могли бы оказаться губительными для вида.

Эксперименты над золотистыми сусликами и другими жи­вотными показали, что наиболее значительные воздействия на ге­нетически запрограммированные ритмы оказывают такие факторы среды, как свет и температура. Так, когда золотистого суслика содержали в лабораторных условиях при температуре 35 °С (близкой к нормальной температуре тела этих животных), спячка у них не наступала, но годичные циклы прибавки и поте­ри веса сохранялись. Для установления влияния светового фак­тора проводили эксперименты на цветах, раскрывающихся днем и закрывающихся ночью. Цветок гелиотропа, занесенный в по­мещение и находящийся в полной темноте, продолжал закры­ваться и раскрываться в том же ритме, что и в естественных ус­ловиях. Но у сеянцев этих растений, выращенных в полной темноте, характерные ритмы вообще отсутствовали до тех пор, пока растение хотя бы однажды не было выставлено на свет, ко­торый, как считают, произвел запуск генетических механизмов, ответственных за этот ритм.

В формировании суточного ритма человека большое значение имеют условия окружающей среды, но, в отличие от животных, его приспособление к новым условиям — всегда сознательный, целенаправленный процесс, в котором доминируют социальные факторы.

Среди экзогенных ритмов выделяют группу экологических, связанных с космическими причинами. Например, ритм сна и бодрствования у дневных животных скоррелирован с движе­нием Земли вокруг своей оси, которое совершается за 23 ч 56 мин. Дневной свет активизирует энергетический потенциал и деятельность человека и животных. Суточный, или циркадный, ритм сна и бодрствования у человека, суточные колебания температуры тела, концентрация гормонов, мочеотделение, спа­ды и подъемы умственной и физической работоспособности — все это ритмы, связанные со световым фактором.

Сон — специфическое состояние нервной системы с харак­терными циклами мозговой деятельности, или фазами сна. Со­гласно теории И.П. Павлова, наступление сна обусловлено про­цессами торможения в коре головного мозга, которая во время бодрствования представляет собой взаимосвязанные очаги воз­буждения и торможения. При этом начало торможения не связа­но с работой отдельного «центра» сна, в организме существует ряд гипногенных (вызывающих сон) участков, или зон. Русский физиолог П.К. Анохин обосновал корково-подкорковую теорию сна, согласно которой гипногенные зоны находятся не только в коре головного мозга, но и в подкорковых и периферических отделах.

Различают два вида сна — активный (быстрый) и спокойный (медленный). Медленный сон занимает до 75 % ночного сна. Бы­стрый сон сопровождается почти полным расслаблением муску­латуры, учащением пульса и дыхания, отмечаются быстрые дви­жения глазных яблок.

При помощи регистрации слабых электрических токов, гене­рируемых мозгом (метод электроэнцефалографии), выделяют пять фаз сна. Первая фаза связана с засыпанием и характеризу­ется повышенной частотой колебаний биотоков мозга (альфа-ритм). Вторая фаза связана с медленным сном и характеризуется уменьшением частоты колебаний (3-6 колебаний в секунду про­тив 8—13 колебаний в первой фазе). Эту фазу сменяет дельта-ритм с частотой 2—3 колебания в секунду — фаза самого глубо­кого сна, которая наступает через 15-20 мин после засыпания. В это время человека бывает трудно разбудить. Такой сон может продолжаться 1,5—2 ч. На четвертой фазе сна появляются вспле­ски активности ЭЭГ. Активность увеличивается, и на пятой фазе опять регистрируется альфа-ритм. Это быстрый сон, или сон с быстрым движением глаз. Именно эта фаза сна сопровождает­ся сновидениями.

С ритмами сна и бодрствования у человека синхронизирова­ны ритмы изменения температуры тела. На протяжении суток она меняется примерно на 0,6 °С. В дневное время температура выше, достигает максимума во второй половине дня и снижает­ся до минимума ночью (между 2 и 5 часами). Ритмы с периодом более суток называются инфрадианными. Примером такого рит­ма являются гормональные изменения. К инфрадианным рит­мам относится и женский овуляционный цикл, который состав­ляет около 28 дней.

Свойство ритма у животных может быть приобретено в ре­зультате обучения. Появившийся на свет детеныш «запечатлева­ет» те или иные временные последовательности и руководству­ется ими всю жизнь.

В. Я. Ягодинский отмечает, что внутренние часы (биоритмы) не смогли бы достигнуть большой точности у разных особей только за счет обучения. Предполагается, что внутренний био­хронометр «вмонтирован» в клетки организма задолго до рожде­ния. Источник ритмов — регуляторные процессы на микромоле­кулярном и клеточном уровнях, на уровне совокупности клеток и живых систем. Б.П. Белоусов открыл периодически действую­щие реакции. Создаваемые ими и поддерживаемые биосистемой незатухающие колебания являются основой биоритмов. С.А. Чепурновым предложена мембранная гипотеза биологических ча­сов, которая согласуется с выводами Б.П. Белоусова: в образо­вании биоритмов принимают участие клеточные мембраны, периодически меняющие потоки ионов в клетку. Изменения ионного градиента переводят мембрану из пассивного состоя­ния в активное.

Многие биологические ритмы связаны со световым и темпе­ратурным факторами, с их сезонными изменениями, что обу­словлено вращением Земли вокруг Солнца.

Все эти факторы влияют на живые организмы, которые под­даются воздействию процессов и явлений, происходящих не только в биосфере, но и в космосе. Из множества космических факторов для биосферы наиболее значима цикличность солнеч­ной деятельности. Под солнечной активностью понимают сово­купность всех физических изменений, происходящих на Солнце и вызывающих в нем различные изменения. Наука об изменени­ях на Солнце — гелиофизика — начала развиваться с начала XVII в., когда Г. Галилей, И. Фабрициус и другие ученые обнаружили на его поверхности темные пятна. Галилей установил появление и исчезновение пятен, изменение их величины, вычислил период обращения Солнца вокруг оси по времени прохождения види­мых глазом солнечных образований. В середине XIX в. швейцар­ский ученый Р. Вольф уточнил, что основной период солнечной деятельности составляет 11,1 года. А.Л. Чижевский отметил, что появление пятен соответствует максимуму солнечной активно­сти, и выделил четыре этапа изменения солнечной активности: минимум, увеличение активности, максимум и деградация. Раз­витию цикла от минимума до максимума соответствует ветвь роста, от максимума до минимума — ветвь спада. Однако эти из­менения не являются строго периодическими, поэтому правиль­нее говорить не о периоде, а о цикле солнечных пятен. Теперь установлено, что длина цикла колеблется от 7 до 16 лет, состав­ляя в среднем 11,1 года. Открыты и другие солнечные циклы. Основными короткопериодическими циклами считаются 27-днев­ные, связанные с обращением Солнца вокруг своей оси, когда активные области то появляются, то исчезают на обращенной к Земле стороне светила. От этих периодов зависит число маг­нитных бурь в околоземном пространстве. Максимальное число бурь наблюдается в марте — апреле, а также в сентябре — октяб­ре. Этот промежуток составляет цикл полугодовой деятельности Солнца. Из крупных циклов на Солнце отмечаются 22-летние изменения магнитной полярности пятен, а также 80-90—170-лет­ние циклы солнечной активности.

Существует два мнения о влиянии цикличности солнечной активности. Одни ученые связывают цикличность Солнца с внут­ренними процессами, происходящими в самом светиле, другие считают основными факторами изменений влияние планет, ко­торые могут побуждать периодичность солнечной активности. Многие ученые считают, что гравитационное воздействие пла­нет на газообразное тело Солнца сказывается на его внутренних процессах и в свою очередь отражается на земных явлениях. От­сюда и возможность прогнозирования земных природных собы­тий по положению планет.

На биосферу Земли оказывают действие и приливные силы, создаваемые не только Солнцем, но и Луной и другими косми­ческими телами. Со времени открытия И. Ньютоном закона все­мирного тяготения (1867) объяснены механизмы морских при­ливов и отливов, установлена взаимосвязь между природными явлениями на Земле и движением Луны.

Луна также оказывает влияние на погоду — на вторые сутки после полнолуния приходится наибольшая частота бурь. Счита­ют, что в это время Луна соприкасается с геомагнитным шлей­фом Земли и нарушает его структуру.

Основоположник космического естествознания А.Л. Чижев­ский на основании специальных исследований, обобщения ар­хивных и исторических данных показал, что для органического мира Земли существенна не только постоянно излучаемая Солн­цем энергия, но и периодически возникающие изменения сол­нечной активности. В его книге «Эпидемические катастрофы и периодическая деятельность Солнца» выявлена тесная зависи­мость реакций живых организмов на изменения внешней среды, обусловленные периодической деятельностью Солнца. А.Л. Чижев­ским отмечена цикличность изменений органического мира, включая урожаи, массовые перемещения насекомых и живот­ных, заболеваемость и смертность людей. Цикличность измене­ний в биосфере совпадает с повышением и спадом солнечной активности. Многие биологические процессы у животных и че­ловека, включая сердечно-сосудистые и нервно-психические за­болевания, протекают в ритме, заданном солнечным ветром в период активной фазы.

А.Л. Чижевский показал, что историческая жизнь в моменты активных фаз Солнца активизируется, что на различных конти­нентах Земли, в разных странах, зависящих или не зависящих друг от друга в экономическом отношении, события, сопряжен­ные с движением большинства масс, стремятся быть синхрон­ными с максимумом солнцестояний. В каждом столетии, отме­чал А.Л. Чижевский, цикл исторических событий повторяется ровно 9 раз — т.е. в каждом веке обнаруживается по девять от­четливо проявляющихся концентраций начальных моментов ис­торических событий. Он разделил каждый исторический цикл, синхронный солнечному циклу, на четыре периода.

Первый период характеризуется минимальной возбудимо­стью масс, т.е. пассионарностью (от лат. passio — страсть). На первый период исторического цикла, по А.Л. Чижевскому, при­ходится 5 % активных исторических событий — войн, восста­ний, революций, политико-экономических кризисов. Этот пе­риод длится около 3 лет.

Второй период характеризуется нарастанием пассионарности, в нем берут начало до 20 % всех активных исторических со­бытий.

На третий период максимальной возбудимости (3 года) при­ходится 60 % всех активных исторических событий.

Четвертый период длится примерно 3 года и характеризуется падением возбудимости. В нем происходит 5 % активных собы­тий. Все эти периоды составляют 11-летний исторический цикл. А.Л. Чижевский допускал, что в исторической жизни человече­ства могут существовать и другие периоды.

Исходя из теории А.Л. Чижевского, Л.Н. Гумилев применил термин «пассионарность» в качестве характерологической доми­нанты, непреодолимого внутреннего осознанного или неосоз­нанного стремления к деятельности, направленного на осущест­вление какой-либо цели. В его работах рассматривается роль активности личности и масс в образовании этносов и государств. Он считал, что в развитии пассионарности основную роль игра­ют энергетический импульс, физические факторы биосферы, влияющие на популяции людей.

Рассматривая этнос как природно-биологическую систему, составную часть биосферы, подчиняющуюся ее законам, он предположил, что несколько раз за тысячелетие поверхность на­шей планеты подвергается воздействию определенного типа космических излучений, которые вызывают пассионарный тол­чок, т.е. мутацию генов человека, отвечающих за восприятие энергии организмом. Особенность толчков — в их кратковре­менности. За последние 3 тысячи лет достоверно было зафикси­ровано девять толчков: 4 до нашей эры и 5 за последние два ты­сячелетия.

О ритмах в искусстве и науке написано много. В настоящее время уделяется внимание ритмам творчества, их соотношению с биоритмами человеческого организма, влиянию биоритмов на творческую деятельность. Впервые эти проблемы освещены в ра­боте Н.Я. Пэрна «Ритм жизни и творчества» (1926). Автор исхо­дил из того, что ритмичность присуща всем без исключения жизненным явлениям, в том числе психической деятельности человека, которую можно рассматривать как ряд параллельно текущих волнообразных процессов, часто не совпадающих друг с другом. Для проверки своего предположения он анализирует фактические данные из четырех независимых источников: си­стематических наблюдений над собой, исследований по физиоло­гии и психологии детей, биографий великих людей и материалов статистики. В результате статистической обработки фактических материалов выявились циклы, в которых от спада до подъема проходит 7 лет. Внутри этих периодов Н.Я. Пэрн выделил более мелкомасштабные, длительностью порядка 7 и 28 дней. Для «уз­ловых точек» характерны активизация духовной жизни, особое ощущение жизни и др. Узловые точки подъемов и кризисов он сопоставил с переломными моментами развития организма че­ловека, в частности с периодом полового развития. Н.Я. Пэрн выделил периоды в возрасте 7, 14, 20, 28 и 35 лет. После 50 лет, по его мнению, наступает вторая зрелость, новый творческий подъем. Проблеме периодизации развития личности в психоло­гии посвящены многие работы, и ряд из них подтверждает пра­вильность выводов Пэрна.

Изучением биологических ритмов занимаются хронобиоло­гия и хрономедицина.

Хронобиология ставит своей задачей изучение ритма физиоло­гических процессов, их суточных колебаний, составление хронокартограмм здорового организма.

Хрономедицина исследует нарушения ритма при болезни и способствует их нормализации.

Хронофармакотерапия решает две важные задачи — выясне­ние характера влияния лекарств в зависимости от их примене­ния в той или иной фазе биологического ритма; изменение рит­мической структуры организма, возникающее при применении лекарственных средств.

С изучением биоритмов связано еще одно направление в науке — биосимметрика, изучающая законы симметрии и роль ее отклонений в жизнедеятельности организмов на разных уровнях живого, вплоть до молекулярного (Дубров, 1980, 1987; Захаров, 1987). Симметрия в строении живых организмов и отклонения от нее — зеркальная изомерия органических молекул — были от­крыты в 1848 г. Луи Пастером. По мнению В. Гольданского, по­явлению жизни на Земле предшествовало разрушение зеркальной симметрии молекул в «первичном бульоне», отбор левовращающих аминокислот и правовращающих Сахаров, из которых фор­мировались нуклеотидные цепочки, а затем ДНК и РНК. Поэтому характерным отличием органического мира являются различные отклонения от полной симметрии.

У человека явления асимметрии рассматриваются в морфо­логическом и функциональном аспектах. Морфологическая асимметрия выражается в преобладании правой или левой поло­вины тела (некоторые различия в длине костей конечностей, развитии мускулатуры), что выявляется при антропометриче­ских исследованиях. Асимметрия лица наглядно демонстрируется синтезированием фотографии — соединением правой и левой ее половин с зеркальными отражениями. Составленные таким образом портреты сильно отличаются от оригинала и между собой.

Кроме морфологической асимметрии лица, верхних и нижних конечностей, асимметрии в распределении признаков дерматог­лифики существует функциональная асимметрия. Выделяют дви­гательную, т.е. моторную (преобладание в функциях правой или левой конечности), асимметрию и сенсорную, связанную с орга­нами чувств.

Моторные и сенсорные функции, как отмечают исследовате­ли Н.Н. Брагина и Т.А. Доброхотова, дифференцируются, когда они проявляются в сочетании с психическими процессами.

Морфологическая асимметрия обусловливается функциональ­ной и в идеальном варианте должна изучаться в комплексе с ней.

В настоящее время большое внимание уделяется научному рассмотрению функциональной симметрии, связанной с био­ритмами и реактивностью живых организмов. В зависимости от того, с какой скоростью и как протекают функциональные про­цессы за определенный отрезок времени (в сторону уменьшения или увеличения абсолютной величины или же они остаются не­изменными), биоритмы живых организмов разделяются на ле­вые и правые, симметричные и дисимметричные. Например, при массовом измерении температуры тела были выделены люди с непрерывно возрастающей либо уменьшающейся в течение дня температурой, с повышающейся утром и снижающейся по­сле полудня, и наоборот. По биоритму температуры были выде­лены следующие типы: утренние, послеполуденные и вечерние.

В современной биосимметрике отрабатываются методы сис­темного изучения связанных между собой функциональных процессов или биоритмов. Изучение биоритмов и классифика­ция функциональных процессов позволяют глубже осветить во­просы индивидуальных различий в реактивности организмов, дают основу для более глубокого понимания нормы, патологии и переходных состояний, адаптации живых существ в свете их эволюции.

Предполагают, что с функциональной асимметрией в той или иной мере связана морфологическая. Наглядным подтверждением этого служит связь лево-праворукости с функциональной асимметрией мозга. Как известно, у большинства людей доми­нирующим является левое полушарие, следовательно, функцио­нально доминирующей является правая рука. Однако у 5—10 % (по некоторым данным, у 1/3) людей функции доминирующего выполняет правое полушарие. С. Спрингер и Г. Дейч в книге «Левый мозг, правый мозг» (1983) обобщили современные ис­следования, посвященные структурной и функциональной асим­метрии мозга. Структурные различия выражаются в несколько большей длине или площади, занимаемой височной областью левого полушария мозга. Функциональные различия весьма мно­гообразны, а с ними связаны уникальные особенности человека: речь, праворукость, эмоциональность. В левом полушарии у большинства людей заложены центры смыслового восприятия и воспроизведения речи, аналитического и абстрактного мыш­ления. Правое полушарие контролирует пространственную ори­ентацию, зрительные функции, эмоционально-целостное вос­приятие. Авторы остановились также на роли наследственности и среды в формировании функциональной асимметрии мозга и на половых различиях в латерализации полушарий мозга. По­ловые различия, по мнению этих исследователей, заключаются в том, что у женщин в большей степени сказывается влияние ле­вого полушария и в результате более выражены вербальные осо­бенности (способности к изучению языков). У мужчин, напри­мер, лучше развита пространственная ориентация. Причины этих различий связывают с эволюционными факторами. В пер­вобытных охотничьих коллективах, вероятно, преимущество в естественном отборе имели мужчины, обладающие способно­стью к зрительно-пространственной ориентации.

Однако объяснение различий за счет социальных факторов первобытных коллективов противоречит тому факту, что функ­циональная асимметрия наблюдается у различных животных — грызунов, кошек, сумчатых, на эволюционной лестнице далеко отстоящих от человека. Элементы функциональной асимметрии головного мозга отмечены у высших млекопитающих, а также у тонкотелов, шимпанзе и других приматов.

Изучение формы и характера выработки и ретуширования каменных орудий привело С.А. Семенова к вполне обоснованному выводу, что неандерталец в процессе изготовления орудий использовал преимущественно правую руку. Следовательно, у него, как и у современного человека, была выражена функцио­нальная асимметрия мозга.

На наш взгляд, более точное объяснение различиям между мужчинами и женщинами по функциональной асимметрии моз­га дает концепция В.А. Геодакяна (1984), согласно которой, женский пол несет больший объем генетической информации и в связи с этим для него характерна более широкая норма реак­ции, повышающая его адаптивность в онтогенезе, но сужающая его фенотипическую дисперсию в популяции. С этими явления­ми связана большая стабильность женского пола в филогенезе. Мужской пол, отвечая за экологическую информацию, в боль­шей степени испытывает на себе эволюционные преобразова­ния, с которыми и связана более выраженная его морфологиче­ская и функциональная асимметрия. В пользу своей концепции В.А. Геодакян приводит факты о большей частоте левшей, а так­же случаев заикания и косоглазия среди особей мужского пола. Обычно в популяции на одну девочку с этими аномалиями при­ходится четыре и больше мальчиков. В данном случае биосиммет­рия рассматривается с точки зрения предложенной им теории дифференциации полов в результате специализации женских и мужских особей по двум главным эволюционным потокам ин­формации: первых по генетическому (от поколения к поколе­нию), вторых — по экологическому (от среды к организму).