|
Биологические ритмы
Биологические ритмы
Биологические
ритмы
Многие биологические процессы в
природе протекают ритмично, т.е. разные состояния организма чередуются с
достаточно четкой периодичностью. Примеры быстрых ритмов – сокращения сердца
или дыхательные движения с периодом всего в несколько секунд. У других жизненно
важных ритмов, например чередования бодрствования и сна, период составляет
около суток. Если биологические ритмы синхронизированы с наступлением приливов
и отливов (каждые 12,4 часа) или только одной из этих фаз (каждые 24,8 часа),
их называют приливными. У лунных биологических ритмов период соответствует
продолжительности лунного месяца, а у годичных – года. Сердечные сокращения и другие формы быстрой ритмичной
активности, не коррелирующей с естественными изменениями в окружающей среде,
обычно изучаются физиологией и в этой статье рассмотрены не будут.
Биологические ритмы интересны тем, что во
многих случаях сохраняются даже при постоянстве условий среды. Такие ритмы
называют эндогенными, т.е. «идущими изнутри»: хотя обычно они и коррелируют с
ритмичными изменениями внешних условий, например чередованием дня и ночи, их
нельзя считать прямой реакцией на эти изменения. Эндогенные биологические ритмы
обнаружены у всех организмов, кроме бактерий. Внутренний механизм,
поддерживающий эндогенный ритм, т.е. позволяющий организму не только
чувствовать течение времени, но и измерять его промежутки, называется
биологическими часами.
Работа биологических часов сейчас хорошо
изучена, однако внутренние процессы, лежащие в ее основе, остаются загадкой. В
1950-х годах советский химик Б.Белоусов доказал, что даже в однородной смеси
некоторые химические реакции могут периодически ускоряться и замедляться.
Аналогичным образом, спиртовое брожение в дрожжевых клетках то активируется, то
подавляется с периодичностью ок. 30 секунд. Каким-то образом эти клетки
взаимодействуют друг с другом, так что их ритмы синхронизируются и вся
дрожжевая суспензия дважды в минуту «пульсирует».
Считается, что такова природа всех
биологических часов: химические реакции в каждой клетке организма протекают
ритмично, клетки «подстраиваются» друг под друга, т.е. синхронизируют свою
работу, и в результате пульсируют одновременно. Эти синхронизированные действия
можно сравнить с периодическими колебаниями часового маятника.
Циркадианные
ритмы.
Большой интерес
представляют биологические ритмы с периодом около суток. Они так и называются –
околосуточными, циркадианными или циркадными – от лат. circa – около и dies –
день.
Биологические процессы с циркадианной
периодичностью весьма разнообразны. Например, три вида светящихся грибов
усиливают и ослабляют свое свечение каждые 24 часа, даже если искусственно
держать их при постоянном свете или в полной темноте. Ежесуточно изменяется
свечение одноклеточной морской водоросли Gonyaulax. У высших растений в
циркадианном ритме протекают различные метаболические процессы, в частности
фотосинтез и дыхание. У черенков лимона с 24-часовой периодичностью колеблется
интенсивность транспирации. Особенно наглядные примеры – ежесуточные движения
листьев и раскрывания-закрывания цветков.
Разнообразные циркадианные ритмы известны и
у животных. Примером может служить близкое к актиниям кишечнополостное – морское
перо (Cavernularia obesa), представляющее собой колонию из множества крошечных
полипов. Морское перо живет на песчаном мелководье, втягиваясь в песок днем и
разворачиваясь по ночам, чтобы питаться фитопланктоном. Этот ритм сохраняется в
лаборатории при неизменных условиях освещения.
Четко работают биологические часы у
насекомых. Например, пчелы знают, когда раскрываются определенные цветки, и
навещают их ежедневно в одно и то же время. Пчелы также быстро усваивают, в
какое время им выставляют на пасеке сахарный сироп.
У человека не только сон, но и многие
другие функции подчинены суточному ритму. Примеры тому – повышение и понижение
кровяного давления и выделения калия и натрия почками, колебания времени
рефлекса, потливости ладоней и т.д. Особенно заметны изменения температуры
тела: ночью она примерно на 1 С ниже, чем днем. Биологические ритмы у
человека формируются постепенно в ходе индивидуального развития. У
новорожденного они довольно неустойчивы – периоды сна, питания и т.д.
чередуются бессистемно. Регулярная смена периодов сна и бодрствования на основе
24–25 часового цикла начинает происходить только с 15-недельного возраста.
Корреляция и
«настройка».
Хотя
биологические ритмы и эндогенны, они соответствуют изменениям внешних условий,
в частности смене дня и ночи. Эта корреляция обусловлена т.н. «захватыванием».
Например, циркадианные движения листьев у растений сохраняются в полной темноте
лишь несколько суток, хотя другие цикличные процессы могут продолжать повторяться
сотни раз несмотря на постоянство внешних условий. Когда выдерживаемые в
темноте листья фасоли, наконец, прекратили расправляться и опускаться,
достаточно короткой вспышки света, чтобы этот ритм восстановился и продержался
еще несколько суток. У циркадианных ритмов животных и растений времязадающим
стимулом обычно служит изменение освещенности – на рассвете и вечером. Если
такой сигнал повторяется периодически и с частотой, близкой к свойственной
данному эндогенному ритму, происходит точная синхронизация внутренних процессов
организма с внешними условиями. Биологические часы «захватываются» окружающей
периодичностью.
Изменяя наружный ритм по фазе, например
включая свет на ночь и поддерживая днем темноту, можно «перевести»
биологические часы так же, как обычные, хотя такая перестройка требует
некоторого времени. Когда человек переезжает в другой часовой пояс, его ритм
сна-бодрствования меняется со скоростью два-три часа в сутки, т.е. к разнице в
6 часов он приспосабливается только через два-три дня.
В определенных пределах можно перенастроить
биологические часы и на цикл, отличающийся от 24 часов, т.е. заставить их идти
с другой скоростью. Например, у людей, долгое время живших в пещерах с
искусственным чередованием светлых и темных периодов, сумма которых существенно
отличалась от 24 часов, ритм сна и других циркадианных функций подстраивался к
новой продолжительности «суток», составлявшей от 22 до 27 часов, однако сильнее
изменить его было уже невозможно. То же самое относится и к другим высшим
организмам, хотя многие растения могут приспосабливаться к «суткам»,
продолжительность которых составляет целую часть обычных, например 12 или 8
часов.
Приливные и
лунные ритмы.
У прибрежных
морских животных часто наблюдаются приливные ритмы, т.е. периодические
изменения активности, синхронизированные с подъемом и спадом воды. Приливы
обусловлены лунным притяжением, и в большинстве регионов планеты происходит два
прилива и два отлива в течение лунных суток (периода времени между двумя последовательными
восходами Луны.) Поскольку Луна движется вокруг Земли в том же направлении, что
и наша планета вокруг собственной оси, лунные сутки примерно на 50 минут
длиннее солнечных, т.е. приливы наступают каждые 12,4 часа. Такой же период у
приливных ритмов. Например, рак-отшельник прячется от света в отлив и выходит
из тени в прилив; с наступлением прилива устрицы приоткрывают свои раковины,
разворачивают щупальцы актинии и т.п. Многие животные, в том числе некоторые
рыбы, в прилив потребляют больше кислорода. С подъемом и спадом воды
синхронизированы изменения окраски манящих крабов.
Многие приливные ритмы сохраняются, иногда
в течение нескольких недель, даже если держать животных в аквариуме. Значит, по
сути своей они эндогенные, хотя в природе «захватываются» и подкрепляются
изменениями во внешней среде.
У некоторых морских животных размножение
коррелирует с фазами Луны и происходит обычно один раз (реже – дважды) на
протяжении лунного месяца. Польза такой периодичности для вида очевидна: если
яйца и сперма выбрасываются в воду всеми особями одновременно, шансы на
оплодотворение достаточно высоки. Этот ритм эндогенный и, как считается,
задается «пересечением» 24-часового циркадианного ритма с приливным, период
которого 12,4 или 24,8 часа. Такое «пересечение» (совпадение) происходят с
интервалами 14–15 и 29–30 суток, что соответствует лунному циклу.
Лучше всего известен и, вероятно, наиболее
заметен среди приливных и лунных ритмов тот, что связан с размножением груниона
– морской рыбы, мечущей икру на пляжах Калифорнии. В течение каждого лунного
месяца наблюдаются два особенно высоких – сизигийных – прилива, когда Луна
находится на одной оси с Землей и Солнцем (между ними или с противоположной от
светила стороны). Во время такого прилива грунион нерестится, закапывая икринки
в песок у самого края воды. В течение двух недель они развиваются практически
на суше, куда не могут добраться морские хищники. В следующий сизигийный
прилив, когда вода покрывает буквально нашпигованный ими песок, из всех икринок
за несколько секунд вылупляются мальки, тут же уплывающие в море. Очевидно, что
такая стратегия размножения возможна, только если взрослые грунионы чувствуют
время наступления сизигийных приливов.
Менструальный цикл у женщин длится четыре
недели, хотя не обязательно синхронизирован с фазами луны. Тем не менее, как
показывают эксперименты, и в этом случае можно говорить о лунном ритме. Сроки
менструаций легко сдвинуть, использовав, например, специальную программу
искусственного освещения; однако они будут наступать с периодичностью, очень
близкой к 29,5 суток, т.е. к лунному месяцу.
Низкочастотные
ритмы.
Биологические ритмы
с периодами, намного превышающими один месяц, трудно объяснить на основе
биохимических флуктуаций, которыми, вероятно, обусловлены ритмы циркадианные, и
механизм их пока неизвестен. Среди таких ритмов наиболее очевидны годичные.
Если деревья умеренного пояса пересадить в тропики, они некоторое время будут
сохранять цикличность цветения, сбрасывания листьев и периода покоя. Рано или
поздно эта ритмичность нарушится, продолжительность фаз цикла будет все более
неопределенной и в конечном итоге исчезнет синхронизация биологических циклов
не только разных экземпляров одного и того же вида, но даже разных ветвей
одного дерева.
В тропических областях, где условия среды
практически постоянны в течение всего года, местным растениям и животным часто
свойственны долговременные биологические ритмы с периодом, отличным от 12
месяцев. Например, цветение может наступать каждые 8 или 18 месяцев.
По-видимому, годичный ритм – это адаптация к условиям умеренной зоны.
Значение
биологических часов.
Биологические
часы полезны организму прежде всего потому, что позволяют ему приспосабливать
свою активность к периодическим изменениям в окружающей среде. Например, краб,
избегающий света во время отлива, автоматически будет искать убежище, которое
защитит его от чаек и других хищников, добывающих пищу на обнажившемся из-под
воды субстрате. Чувство времени, присущее пчелам, координирует их вылет за
пыльцой и нектаром с периодом раскрывания цветков. Аналогичным образом,
циркадианный ритм подсказывает глубоководным морским животным, когда наступает
ночь и можно подняться ближе к поверхности, где больше пищи.
Кроме того, биологические часы позволяют
многим животным находить направление, пользуясь астрономическими ориентирами.
Это возможно, только если известно одновременно положение небесного тела и
время суток. Например, в Северном полушарии солнце в полдень находится точно на
юге. В другие часы, чтобы определить южное направление, надо, зная положение
солнца, сделать угловую поправку, зависящую от местного времени. Используя свои
биологические часы, некоторые птицы, рыбы и многие насекомые регулярно
выполняют такие «расчеты».
Не приходится сомневаться, что перелетным
птицам, чтобы находить дорогу к мелким островам в океане, требуются
навигационные способности. Вероятно, они используют свои биологические часы для
определения не только направления, но и географических координат.
Проблемы, связанные с навигацией, встают не
только перед птицами. Регулярные длительные миграции совершают тюлени, киты,
рыбы и даже бабочки.
Практическое
применение биологических ритмов.
Рост и цветение растений зависят от взаимодействия между их
биологическими ритмами и изменениями средовых факторов. Например, цветение
стимулируется главным образом продолжительностью светлого и темного периодов
суток на определенных стадиях развития растения. Это позволяет отбирать культуры,
пригодные для тех или иных широт и климатических условий, а также выводить
новые сорта. В то же время известны успешные попытки изменения биологических
ритмов растений в нужном направлении. Например, птицемлечник аравийский
(Ornithogallum arabicum), цветущий обычно в марте, можно заставить распускаться
под Рождество – в декабре.
С распространением дальних воздушных
путешествий многие столкнулись с феноменом десинхронизации. Пассажир
реактивного самолета, быстро пересекающий несколько часовых поясов, обычно
испытывает чувство усталости и дискомфорта, связанное с «переводом» своих
биологических часов на местное время. Сходная десинхронизация наблюдается у
людей, переходящих из одной рабочей смены в другую. Большинство отрицательных
эффектов обусловлено при этом присутствием в организме человека не одних, а
многих биологических часов. Обычно это незаметно, поскольку все они
«захватываются» одним и тем же суточным ритмом смены дня и ночи. Однако при
сдвиге его по фазе скорость перенастройки различных эндогенных часов
неодинакова. В результате сон наступает, когда температура тела, скорость
выделения почками калия и другие процессы в организме еще соответствуют уровню
бодрствования. Такое рассогласование функций в период адаптации к новому режиму
ведет к повышенной утомляемости.
Накапливается все больше данных,
свидетельствующих о том, что длительные периоды десинхронизации, например при
частых перелетах из одного часового пояса в другой, вредны для здоровья, однако
насколько велик этот вред, пока не ясно. Когда сдвига по фазе избежать нельзя,
десинхронизацию можно свести к минимуму, правильно подобрав скорость
наступления сдвига.
Биологические ритмы имеют очевидное
значение для медицины. Хорошо известно, например, что восприимчивость организма
к различным вредным воздействиям колеблется в зависимости от времени суток. В
опытах по введению мышам бактериального токсина показано, что в полночь его
смертельная доза выше, чем в полдень. Аналогичным образом изменяется
чувствительность этих животных к алкоголю и рентгеновскому облучению.
Восприимчивость человека тоже колеблется, однако в противофазе: его организм
беззащитнее всего в полночь. Ночью смертность прооперированных больных втрое
выше, чем днем. Это коррелирует с колебаниями температуры тела, которая у человека
максимальна днем, а у мышей – ночью.
Такие наблюдения наводят на
мысль, что лечебные процедуры следует согласовывать с ходом биологических
часов, и определенные успехи здесь уже достигнуты. Трудность в том, что
биологические ритмы человека, особенно больного, пока недостаточно исследованы.
Известно, что при многих заболеваниях – от рака до эпилепсии – они нарушаются;
яркий тому пример – непредсказуемые колебания температуры тела у больных. Пока
биологические ритмы и их изменения как следует не изучены, использовать их на
практике, очевидно, нельзя. К этому стоит добавить, что в некоторых случаях
десинхронизация биологических ритмов может быть не только симптомом болезни, но
и одной из ее причин.
Список
литературы
Биологические ритмы, тт. 1–2. М.,
1984
Для подготовки данной работы были
использованы материалы с сайта http://bio.freehostia.com
|