Важность циркадных ритмов. Молекулярный механизм биологических часов
Все живые существа на Земле - от растений до высших млекопитающих - подчиняются суточным ритмам. У человека в зависимости от времени суток циклически меняются физиологическое состояние, интеллектуальные возможности и даже настроение. Ученые доказали, что виной тому колебания концентраций гормонов в крови. В последние годы в науке о биоритмах, хронобиологии было сделано многое, чтобы установить механизм возникновения суточных гормональных циклов. Ученые обнаружили в головном мозге "циркадный центр", а в нем - так называемые "часовые гены" биологических ритмов здоровья.
Это долгие, многолетние исследования во многих лабораториях, - объясняет Шауман, который лично знает всех трех удостоенных наград американцев, так как он работал в Гарвардской медицинской школе. Благодаря их открытиям уже есть препараты, такие как мелатонин, который является пищевой добавкой, которая может синхронизировать биологические часы, например, у спортсменов, когда они часто летают в разных часовых поясах.
Шауман работает над тем, как насекомые, в частности, синхронизируют свои биологические ритмы с колебаниями окружающей среды. Бабочки и двукрылые насекомые начали меняться около 240 миллионов лет назад. Основываясь на своих исследованиях, теперь было показано, что дикая природа, вероятно, придумала несколько механизмов, объясняющих примерно 24-часовую ритмичность.
ХРОНОБИОЛОГИЯ - НАУКА О СУТОЧНЫХ РИТМАХ ОРГАНИЗМА
В 1632 году английский естествоиспытатель Джон Врен в своем "Трактате о травах" ("Herbal Treatise") впервые описал дневные циклы тканевых жидкостей в организме человека, которые он, следуя терминоло гии Аристотеля, назвал "гуморы" (лат. humor - жидкость). Каждый из "приливов" тканевой жидкости, по мнению Врена, длился шесть часов. Гуморальный цикл начинался в девять часов вечера выделением первой гуморы желчи - "сhole" (греч. cholе - желчь) и продолжался до трех утра. Затем наступала фаза черной желчи - "melancholy" (греч. melas - черный, chole - желчь), за которой следовала флегма - "phlegma" (греч. phlegma - слизь, мокрота), и, наконец, четвертая гумора - кровь.
Он не единственный чешский ученый, который также внес значительный вклад в историю хронобиологии, науки о биологических ритмах организмов. Однако пушка с Бензером обнаружила только мутацию в то время, но они все еще не знали, что это такое для гена. У людей циркадный ритм влияет, например, на сон, поведение, уровень гормонов, температуру тела или обмен веществ.
Нобелевская премия по физиологии и медицине в этом году получила трех американцев за исследование 24-часовых ритмов живых организмов. Синдром не только в контексте его первоначального значения - реактивный двигатель и изменения часового пояса, но также и в случае аритмий дня и ночи. И это потому, что люди с этой проблемой имеют те же симптомы, что и в случае длительных путешествий на самолете, когда наш мозг живет еще на один день, и на самом деле это ночь. Оказывается, 20% европейцев, даже живущих в одном и том же часовом поясе, испытывают проблемы со своими внутренними часами.
Конечно, соотнести гуморы с известными ныне физиологическими жидкостями и тканевыми секретами невозможно. Современная медицинская наука никакой связи физиологии с мист ическими гуморами не признает. И все же описанные Вреном закономерности смены настроений, интеллектуальных возможностей и физического состояния имеют вполне научную основу. Наука, изучающая суточные ритмы организма, называется хронобиологией (греч. chronos - время). Ее основные понятия сформулиро вали выдающиеся немецкий и американский ученые профессора Юрген Ашофф и Колин Питтендриг, которых в начале 80-х годов прошлого века даже выдвигали на соискание Нобелевской премии. Но высшую научную награду они, к сожалению, так и не получили.
Смотреть фильм: «Признать психическое здоровье онлайн»
Циркадный ритм относится к регулярным изменениям физической и умственной активности, которые происходят в зависимости от дня и ночи. В целом, они отвечают за структуру центральной нервной системы. Они работают для поддержания нормальных циклов по всему телу, увеличения или уменьшения уровня соответствующих гормонов в течение дня, температуры тела человека, который падает ночью, производства мочи и изменения артериального давления. Сигналы от глаза, от фоторецепторов, которые регистрируют количество света в окружающей среде, достигают этих структур, расположенных в гипоталамусе, а, следовательно, и других, среди прочих. к шишковидной железе.
Главное понятие хронобиологии - дневные циклы, длительность которых периодична - около (лат. circa ) дня (лат. dies ). Поэтому сменяющие друг друга дневные циклы называются циркадными ритмами. Эти ритмы напрямую связаны с циклической сменой освещенности, то есть с вращением Земли вокруг своей оси. Они есть у всех живых существ на Земле: растений, микроорганизмов, беспозвоночных и позвоночных животных, вплоть до высших млекопитающих и человека.
Его вклад в поддержание нормального циркадного ритма является значительным. В конце дня, ночью, он производит больше мелатонина - гормона, ответственного за правильный ритм дня и ночи. Его пик находится между 00 и 00. Наблюдения слепых и эксперименты, в которых люди были отрезаны от внешнего света, и все знания о том, что сейчас является временем дня, доказали, что человеческое тело приспособлено к 25-часовому дню. Только влияние солнца на циркадный ритм составляет 24-часовой цикл. Но солнечный свет - это еще не все.
Температура окружающей среды или звук будильника или некоторых медикаментов также определяют это. Похоже, что проблема нарушенного циркадного ритма в первую очередь связана с людьми с экзогенными расстройствами, то есть с людьми, работающими в сменной работе, дежурными врачами, работающими в ночное время. Они начинают испытывать недостаток в регулярности ритма дня и ночи, постоянно меняя все. В свою очередь, эндогенные ритмы относятся к людям, чьи биологические часы плохо работают с геофизическим ритмом.
Каждому из нас известен циркадный цикл "бодрствование - сон". В 1959 году Ашофф обнаружил закономерность, которую Питтендриг предложил назвать "правилом Ашоффа". Под этим названием оно вошло в хронобиологию и историю науки. Правило гласит: "У ночных животных активный период (бодрствование) более продолжителен при постоянном освещении, в то время как у дневных животных бодрствование более продолжительно при постоянной темноте". И действительно, как впоследствии установил Ашофф, при длительной изоляции человека или животных в темноте цикл "бодрствование - сон" удлиняется за счет увеличения продолжительности фазы бодрствования. Из правила Ашоффа следует, что именно свет определяет циркадные колебания организма.
Его в народе называют «совами» и «жаворонком», но в их «усиленном», «чрезмерном» смысле. Часто такие люди сообщают врачу, жалуются на бессонницу или чрезмерную сонливость, но тщательная история болезни показывает, что они не являются расстройством, а измененной фазой засыпания.
Симптомы аритмий дня и ночи
Аритмии дня и ночи могут проявляться как. Лишение сна, сонливость, аппетит и желудочно-кишечные расстройства, недомогание, замешательство, раздражительность, лишение настроения. Если у вас есть какие-либо из этих условий, поговорите со своим врачом или фармацевтом, который сможет исключить или подтвердить существование дневных и ночных нарушений и, возможно, обратиться в клинику к нарушениям сна.
ГОРМОНЫ И БИОРИТМЫ
В течение циркадного дня (бодрствования) наша физиология в основном настроена на переработку накопленных питательных веществ, чтобы получить энерги ю для активной дневной жизни. Напротив, во время циркадной ночи питательные вещества накапливаются, происходят восстановление и "починка" тканей. Как оказалось, эти изменения в интенсивности обмена веществ регулируются эндокринной системой, то есть гормонами. В том, как работает эндокринный механизм управления циркадными циклами, есть много общего с гуморальной теор ией Врена.
Нарушения циркадного ритма вызывают новые проблемы, а не только расстройства сна. Это могут быть сердечно-сосудистые заболевания, кишечные расстройства и расстройства пищеварения, гормональные нарушения и прежде всего психические расстройства: депрессия, раздражительность, затруднение концентрации.
Лечение нарушений суточного ритма
Поведенческая терапия - это метод восстановления нормального ритма дня и ночи. Однако это не так просто. Легче перемещать ритм вперед, т.е. когда кто-то закладывается слишком рано, и хотел бы потом, то, может быть, каждые несколько дней попытайтесь уснуть через полчаса. Сложнее переместить ритм назад, когда кто-то слишком поздно спать, поздно становится сонным.
Вечером, перед наступлением ночи, в кровь из так называемого верхнего мозгового придатка - эпифиза выделяется "гормон ночи" - мелатонин. Это удивительное вещество производится эпифизом только в темное время суток, и время его присутствия в крови прямо пропорционально длительности световой ночи. В ряде случаев бессонница у пожилых людей связана с недостаточностью секреции мелатонина эпифизом. Препараты мелатонина часто используют в качестве снотворных.
Люди с нарушенным циркадным ритмом хорошо реагируют на фототерапию. Также могут быть полезны основные принципы гигиены сна, как рекомендовано для лечения бессонницы. В частности: затмевает окна в спальне ночью, избегая чрезмерного света, шума вечером, сохраняя регулярные ужины и мероприятия. Избегайте сон в течение дня и старайтесь спать и вставать в одно и то же время.
Фармакотерапия нарушений суточного ритма весьма ограничена. Зная роль эндогенного мелатонина, выделяемого шишковидной железой, как специфические внутренние часы и цикличность ее секреции, он используется в дневных и ночных аритмиях, также из-за изменений в часовых поясах. Он также используется в слепых. Замена мелатонина в соответствии с правильным суточным ритмом может помочь регулировать сон. Это помогает заснуть, улучшает качество сна, уменьшает количество пробуждений ночью. Это также полезно при лечении расстройств сна у пожилых людей.
Мелатонин вызывает снижение температуры тела, кроме того, он регулирует продолжительность и смену фаз сна. Дело в том, что человеческий сон представляет собой чередование медленноволновой и парадоксальной фаз. Медленноволновый сон характеризуется низкочастотной активностью коры полушарий. Это - "сон без задних ног", время, когда мозг полностью отдыхает. Во время парадоксального сна частота колебаний электрической активности мозга повышается, и мы видим сны. Эта фаза близка к бодрствованию и служит как бы "трамплином" в пробуждение. Медленноволновая и парадоксальная фазы сменяют одна другую 4-5 раз за ночь, в такт изменениям концентрации мелатонина.
Препараты мелатонина доступны без рецепта. Не рекомендуется использовать при беременности и кормлении грудью. Если адаптация к новому ритму затруднена, иногда бывает целесообразно настроить активность на собственный ритм. Циклические изменения, например, связанные с ритмом дневной ночи, присущи природе, окружающей нас.
Суточный цикл дня и ночи является результатом вращения Земли и годового цикла изменений времен года, связанных с циркуляцией Земли вокруг Солнца. В ответ на эти явления организмы разработали ряд механизмов, способных «считывать» время, позволяя им адаптироваться к изменяющимся условиям окружающей среды. В ходе эволюции они разработали множество биологических ритмов, позволяя им адаптировать свои собственные физиологические и биохимические процессы к изменениям окружающей среды.
Наступление световой ночи сопровождается и другими гормональными изменениями: повышается выработка гормона роста и снижается выработка адренокортикотропного гормона (АКТГ) другим мозговым придатком - гипофизом. Гормон роста стимулирует анаболические процессы, например размножение клеток и накопление питательных веществ (гликогена) в печени. Не зря говорят: "Дети растут во сне". АКТГ вызывает выброс в кровь адреналина и других "гормонов стресса" (глюкокортикоидов) из коры надпочечников, поэтому снижение его уровня позволяет снять дневное возбуждение и мирно заснуть. В момент засыпания из гипофиза выделяются опиоидные гормоны, обладающие наркотическим действием, - эндорфины и энкефалины. Именно поэтому процесс погружения в сон сопровождается приятными ощущениями.
Биологические ритмы происходят в разное время. Уровни определенных гормонов и ферментов, температура тела, экспрессия конкретных генов, а также время сна и бодрствования включены в циркадные ритмы. Овуляция или спящий режим - это длительные ритмы, длительность которых превышает 24 часа. Все, что сочетает биологические ритмы, состоит в том, что они генерируются внутри тела, а не являются прямым результатом изменений во внешней среде.
Внутренний механизм, который контролирует ритм жизненных процессов всех организмов, включая человека, - это биологические часы. Он генерирует циркадный ритм - период около 24 часов, действует как часы, которые мы используем каждый день и функционируем в соответствии с его показаниями, - объясняет хронобиолог, проф. Нарушение синхронизации и ее десинхронизация приводят к развитию многих заболеваний, - добавляет исследователь. Биологические часы становятся возможными благодаря процессам на клеточном уровне, основанным на экспрессии циклического гена.
Перед пробуждением здоровый организм должен быть готов к активному бодрствованию, в это время кора надпочечников начинает вырабатывать возбуждающие нервную систему гормоны - глюкокортикоиды. Наиболее активный из них - кортизол, который приводит к повышению давления, учащению сердечных сокращений, повышению тонуса сосудов и снижению свертываемости крови. Вот почему клиническая статистика свидетельствует о том, что острые сердечные приступы и внутримозговые геморрагические инсульты в основном приходятся на раннее утро. Сейчас разрабатываются препараты, снижающие артериальное давление, которые смогут достигать пика концентрации в крови только к утру, предотвращая смертельно опасные приступы.
Круговой механизм молекулярных часов был впервые идентифицирован в плодовой мухе. «Это хорошая исследовательская модель, потому что ее геном хорошо известен, и относительно легко манипулировать генами, изучая их функции», - объясняет профессор. В этом году исследователи из Нобелевской премии выявили несколько генов, которые контролируют суточные ритмы, влияют на его стабильность и функцию и объясняют механизм синхронизации биологических часов со светом.
Благодаря результатам исследований, отмеченных наградами, хронобиология стала быстро растущей областью обучения. Также возглавляет проф. Мы изучаем влияние разных факторов на механизм часов, а также часы на разные процессы и другие. к тем, которые происходят в иммунной системе. Кроме того, мы исследуем суточные структурные изменения в мозге мыши и мыши, которые находятся под контролем часов. Например, мы знаем, что внутренние часы ежедневно генерируют изменения в форме и размере нервных клеток, а также количество связей между клетками, которые влияют на функционирование мозга.
Почему некоторые люди встают "ни свет, ни заря", а другие не прочь поспать до полудня? Оказывается, известному феномену "сов и жаворонков" есть вполне научное объяснение, которое базируется на работах Жэми Зейцер из Исследовательского центра сна (Sleep Research Center) Станфордского университета в Калифорнии. Она установила, что минимальная концентрация кортизола в крови обычно приходится на середину ночного сна, а ее пик достигается перед пробуждением. У "жаворонков" максимум выброса кортизола происходит раньше, чем у большинства людей, - в 4-5 часов утра. Поэтому "жаворонки" более активны в утренние часы, но быстрее утомляются к вечеру. Их обычно рано начинает клонить ко сну, поскольку гормон сна - мелатонин поступает в кровь задолго до полуночи. У "сов" ситуация обратная: мелатонин выделяется позже, ближе к полуночи, а пик выброса кортизола сдвинут на 7-8 часов утра. Указанные временные рамки сугубо индивидуальны и могут варьировать в зависимости от выраженности утреннего ("жаворонки") или вечернего ("совы") хронотипов.
В этих исследованиях мы сотрудничали с Нобелевским лауреатом этого года, проф. Майкл Росбаш - проф. Сон в детях - Когда мой ребенок не спит. Продолжительность сна и его курс сильно индивидуализированы как у детей, так и у взрослых. Это подтверждают многочисленные исследования, проведенные в разных странах и культурах.
Средняя продолжительность сна в каждом возрастном диапазоне строго определена. Здоровые, сообщали о новорожденных более 15 часов через 2-4 часа. Периоды сна и бодрствования переплетаются одинаково в течение дня и ночи, сохраняя их внутренний ритм и последовательность. Более длительные периоды бдительности появляются после шестой недели жизни, и с третьего месяца жизни они повторяются в течение дня и раннего вечера.
"ЦИРКАДНЫЙ ЦЕНТР" НАХОДИТСЯ В ГОЛОВНОМ МОЗГЕ
Что же это за орган, который управляет циркадными колебаниями концентрации гормонов в крови? На этот вопрос ученые долгое время не могли найти ответ. Но ни у кого из них не возникало сомнений, что "циркадный центр" должен находиться в головном мозге. Его существование предсказывали и основатели хронобиологии Ашофф и Питтендриг. Внимание физиологов привлекла давно известная анатомам структура головного мозга - супрахиазматическое ядро, расположенное над (лат. super ) перекрестом (греч. chiasmos ) зрительных нервов. Оно имеет сигарообразную форму и состоит, например, у грызунов всего из 10 000 нейрон ов, что очень немного. Другое же, близко расположенное от него, ядро, параветрикулярное, содержит сотни тысяч нейрон ов. Протяженность супрахиазматического ядра также невелика - не более половины миллиметра, а объем - 0,3 мм 3 .
Со временем внутренние циркадные ритмы созревают и усиливаются ритмом среды, в которой развивается ребенок. Сон пролонгирован и укрепляется в течение ночи. Тем не менее, каждый ребенок развивается индивидуально, а 10% детей достигают более длительного сна, непрерывного в течение ночи, только после первого года жизни. Младенцы и дети дошкольного возраста характеризуются сокращением общего времени сна: это в среднем 13, 9 часа, тогда как в год уже 11, 4 часа. Дневной сон также уменьшается в течение года, до года.
Когда большинство детей вообще отказывается от сна в течение дня. Это изменение сопровождается различиями в полисомнографической записи сна. Затем продолжительность сна уменьшается с возрастом от 10 часов в подростковом возрасте до 8 часов в возрасте. С возрастом и ребенком, входящим в следующие этапы жизни, появляются новые факторы, влияющие на ритм дня и ночи. Пожилые дети формируют свою автономию, также в отношении сна и периапикального поведения. Следовательно, трудно определить фактическую длину и качество сна данного ребенка, а также влияние родителей ребенка на их сон.
В 1972 году двум группам американских исследователей удалось показать, что супрахиазматическое ядро и есть центр управления биологическими часами организма. Для этого они разрушили ядро в мозге мышей микрохирургическим путем. Роберт Мур и Виктор Эйхлер обнаружили, что у животных с нефункционирующим супрахиазматическим ядром пропадает цикличность выброса в кровь гормонов стресса - адреналина и глюкокортикоидов. Другая научная группа под руководством Фредерика Стефана и Ирвина Цукера изучала двигательную активность грызунов с удаленным "циркадным центром". Обычно мелкие грызуны после пробуждения все время находятся в движении. В лабораторных условиях для регистрации движения к колесу, в котором животное бежит на месте, подсоединяется кабель. Мышки и хомячки в колесе диаметром 30 см пробегают 15-20 км за день! По полученным данным строятся графики, которые называются актограммами. Оказалось, что разрушение супрахиазматического ядра приводит к исчезновению циркадной двигательной активности животных: периоды сна и бодрствования становятся у них хаотичными. Они перестают спать в течение циркадной ночи, то есть в светлое время суток, и бодрствовать циркадным днем, то есть с наступлением темноты.
Супрахиазматическое ядро - структура уникальная. Если ее удалить из мозга грызунов и поместить в "комфортные условия" с теплой питательной средой, насыщенной кислородом, то несколько месяцев в нейрон ах ядра будут циклически меняться частота и амплитуда поляризации мембраны, а также уровень выработки различных сигнальных молекул - нейротрансмиттеров, передающих нервный импульс с одной клетки на другую.
Что помогает супрахиазматическому ядру сохранять такую стабильную цикличность? Нейрон ы в нем очень плотно прилегают друг к другу, формируя большое количество межклеточных контактов (синапс ов). Благодаря этому изменения электрической активности одного нейрон а мгновенно передаются всем клеткам ядра, то есть происходит синхронизация деятельности клеточной популяции. Помимо этого, нейрон ы супрахиазматического ядра связаны особым видом контактов, которые называются щелевыми. Они представляют собой участки мембран соприкасающихся клеток, в которые встроены белковые трубочки, так называемые коннексины. По этим трубочкам из одной клетки в другую движутся потоки ионов, что также синхронизирует "работу" нейрон ов ядра. Убедительные доказательства такого механизма представил американский профессор Барри Коннорс на ежегодном съезде нейробиологов "Neuroscience-2004", прошедшим в октябре 2004 года в Сан-Диего (США).
По всей вероятности, супрахиазматическое ядро играет большую роль в защите организма от образования злокачественных опухолей. Доказательство этого в 2002 году продемонстрировали французские и британские исследователи под руководством профессоров Франсис Леви и Майкла Гастингса. Мышам с разрушенным супрахиазматическим ядром прививали раковые опухоли костной ткани (остеосаркома Глазго) и поджелудочной железы (аденокарцинома). Оказалось, что у мышей без "циркадного центра" скорость развития опухолей в 7 раз выше, чем у их обычных собратьев. На связь между нарушениями циркадной ритмики и онкологическими заболеваниями у человека указывают и эпидемиологические исследования. Они свидетельствуют о том, что частота развития рака груди у женщин, длительно работающих в ночную смену, по разным данным, до 60% выше, чем у женщин, работающих в дневное время суток.
ЧАСОВЫЕ ГЕНЫ
Уникальность супрахиазматического ядра еще и в том, что в его клетках работают так называемые часовые гены. Эти гены были впервые обнаружены у плодовой мушки дрозофилы в аналоге головного мозга позвоночных животных - головном ганглии, протоцеребруме. Часовые гены млекопитающих по своей нуклеотидной последовательности оказались очень похожи на гены дрозофилы. Выделяют два семейства часовых генов - периодические (Пер1, 2, 3 ) и криптохромные (Кри1 и 2 ). Продукты деятельности этих генов, Пер- и Кри-белки, обладают интересной особенностью. В цитоплазме нейрон ов они образуют между собой молекулярные комплексы, которые проникают в ядро и подавляют активацию часовых генов и, естественно, выработку соответствующих им белков. В результате концентрация Пер- и Кри-белков в цитоплазме клетки уменьшается, что снова приводит к "разблокированию" и активации генов, которые начинают производить новые порции белков. Так обеспечивается цикличность работы часовых генов. Предполагается, что часовые гены как бы настраивают биохимические процессы, происходящие в клетке, на работу в циркадном режиме, но то, как происходит синхронизация, пока непонятно.
Интересно, что у животных, из геном а которых генно-инженерными методами исследователи удалили один из часовых генов Пер 2 , спонтанно развиваются опухоли крови - лимфомы.
СВЕТОВОЙ ДЕНЬ И БИОРИТМЫ
Циркадные ритмы "придуманы" природой, чтобы приспособить организм к чередованию светлого и темного времени суток и поэтому не могут не быть связаны с восприятием света. Информация о световом дне поступает в супрахиазматическое ядро из светочувствительной оболочки (сетчатки) глаза. Световая информация от фоторецептор ов сетчатки, палочек и колбочек по окончаниям ганглионарных клеток передается в супрахиазматическое ядро. Ганглионарные клетки не просто передают информацию в виде нервного импульса, они синтезируют светочувствительный фермент - меланопсин. Поэтому даже в условиях, когда палочки и колбочки не функционируют (например, при врожденной слепоте), эти клетки способны воспринимать световую, но не зрительную информацию и передавать ее в супрахиазматическое ядро.
Можно подумать, что в полной темноте никакой циркадной активности у супрахиазматического ядра наблюдаться не должно. Но это совсем не так: даже в отсутствие световой информации суточный цикл остается стабильным - изменяется лишь его продолжительность. В случае когда информация о свете в супрахиазматическое ядро не поступает, циркадный период у человека по сравнению с астрономическими сутками удлиняется. Чтобы доказать это, в 1962 году "отец хронобиологии" профессор Юрген Ашофф, о котором шла речь выше, на несколько дней поместил в абсолютно темную квартиру двух волонтеров - своих сыновей. Оказалось, что циклы "бодрствование - сон" после помещения людей в темноту растянулись на полчаса. Сон в полной темноте становится фрагментар ным, поверхностным, в нем доминирует медленноволновая фаза. Человек перестает ощущать сон как глубокое отключение, он как бы грезит наяву. Через 12 лет француз Мишель Сиффрэ повторил эти эксперимен ты на себе и пришел к аналогичным результатам. Интересно, что у ночных животных цикл в темноте, наоборот, сокращается и составляет 23,4 часа. Смысл таких сдвигов в циркадных ритмах до сих пор не вполне ясен.
Изменение длительности светового дня влияет на активность супрахиазматического ядра. Если животных, которых в течение нескольких недель содержали в стабильном режиме (12 часов при свете и 12 часов в темноте), затем помещали в другие световые циклы (например, 18 часов при свете и 6 часов в темноте), у них происходило нарушение периодичности активного бодрствования и сна. Подобное происходит и с человеком, когда изменяется освещенность.
Цикл "сон - бодрствование" у диких животных полностью совпадает с периодами светового дня. В современном человеческом обществе "24/7" (24 часа в сутках, 7 дней в неделе) несоответствие биологических ритмов реальному суточному циклу приводит к "циркадным стрессам", которые, в свою очередь, могут служить причиной развития многих заболеваний, включая депрессии, бессонницу, патологию сердечно-сосудистой системы и рак. Существует даже такое понятие, как сезонная аффективная болезнь - сезонная депрессия, связанная с уменьшением продолжительности светового дня зимой. Известно, что в северных странах, например в Скандинавии, где несоответствие длительно сти светового дня активному периоду особенно ощутимо, среди населения очень велика частота депрессий и суицидов.
При сезонной депрессии в крови больного повышается уровень основного гормона надпочечников - кортизола, который сильно угнетает иммунную систему. А сниженный иммунитет неминуемо ведет к повышенной восприимчивости к инфекционным болезням. Так что не исключено, что короткий световой день - одна из причин всплеска заболеваемости вирусными инфекциями в зимний период.
СУТОЧНЫЕ РИТМЫ ОРГАНОВ И ТКАНЕЙ
На сегодняшний день установлено, что именно супрахиазматическое ядро посылает сигналы в центры мозга, ответственные за циклическую выработку гормонов-регуляторов суточной активности организма. Одним из таких регуляторных центров служит паравентрикулярное ядро гипоталамуса, откуда сигнал о "запуске" синтеза гормона роста или АКТГ передается в гипофиз. Так что супрахиазматическое ядро можно назвать "дирижером" циркадной активности организма. Но и другие клетки подчиняются своим циркадным ритмам. Известно, что в клетках сердца, печени, легких, поджелудочной железы, почек, мышечной и соединительной тканей работают часовые гены. Деятельность этих периферических систем подчинена своим собственным суточным ритмам, которые в целом совпадают с цикличностью супрахиазматического ядра, но сдвинуты во времени. Вопрос о том, каким образом "дирижер циркадного оркестра" управляет функционированием "оркестрантов", остается ключевой проблемой современной хронобиологии.
Циклично функционирующие органы довольно легко вывести из-под контроля супрахиазмати ческого ядра. В 2000-2004 годах вышла серия сенсационных работ швейцарской и американской исследовательских групп, руководимых Юли Шиблером и Майклом Менакером. В экспериментах, проведенных учеными, ночных грызунов кормили только в светлое время суток. Для мышей это так же противоестественн о, как для человека, которому давали бы возможность есть только ночью. В результате циркадная активность часовых генов во внутренних органах животных постепенно перестраивал ась полностью и переставала совпадать с циркадной ритмикой супрахиазматического ядра. Возвращение же к нормальным синхронным биоритмам происходило сразу после начала их кормления в обычное для них время бодрствования, то есть ночное время суток. Механизмы этого феномена пока неизвестны. Но одно ясно точно: вывести все тело из-под контроля супрахиазматического ядра просто - надо лишь кардинально изменить режим питания, начав обедать по ночам. Поэтому строгий режим приема пищи не пустой звук. Особенно важно следовать ему в детстве, поскольку биологические часы "заводятся" в самом раннем возрасте.
Сердце, как и все внутренние органы, тоже обладает собственной циркадной активностью. В искусственных условиях оно проявляет значительные циркадные колебания, что выражается в циклическом изменении его сократительной функции и уровня потребления кислорода. Биоритмы сердца совпадают с активностью "сердечных" часовых генов. В гипертрофированном сердце (в котором мышечная масса увеличена из-за разрастания клеток) колебания активности сердца и "сердечных" часовых генов исчезают. Поэтому не исключено и обратное: сбой в суточной активности клеток сердца может вызвать его гипертрофию с последующим развитием сердечной недостаточности. Так что нарушения режима дня и питания с большой вероятностью могут быть причиной сердечной патологии.
Суточным ритмам подчинены не только эндокринная система и внутренние органы, жизнедеятельность клеток в периферических тканях тоже идет по специфической циркадной программе. Эта область исследований только начинает развиваться, но уже накоплены интересные данные. Так, в клетках внутренних органов грызунов синтез новых молекул ДНК преимущественно приходится на начало циркадной ночи, то есть на утро, а деление клеток активно начинается в начале циркадного дня, то есть вечером. Циклически меняется интенсивность роста клеток слизистой оболочки рта человека. Что особенно важно, согласно суточным ритмам меняется и активность белков, отвечающих за размножение клеток, например топоизомеразы II α - белка, который часто служит "мишенью" действия химиотерапевтических препаратов. Данный факт имеет исключительное значение для лечения злокачественных опухолей. Как показывают клинические наблюдения, проведение химиотерапии в циркадный период, соответствующий пику выработки топоизомеразы, намного эффективнее, чем однократное или постоянное введение химиопрепаратов в произвольное время.
Ни у кого из ученых не вызывает сомнения, что циркадные ритмы - один из основополагающих биологических механизмов, благодаря которому за миллионы лет эволюции все обитатели Земли приспособились к световому суточному циклу. Хотя человек и является высокоприспособленным существом, что и позволило ему стать самым многочисленным видом среди млекопитающих, цивилизация неизбежно разрушает его биологический ритм. И в то время как растения и животные следуют природной циркадной ритмике, человеку приходится намного сложнее. Циркадные стрессы - неотъемлемая черта нашего времени, противостоять им крайне непросто. Однако в наших силах бережно относиться к "биологическим часам" здоровья, четко следуя режиму сна, бодрствования и питания.
Иллюстрация «Жизнь растений по биологическим часам.» Не только животные, но и растения живут по "биологическим часам". Дневные цветы закрывают и открывают лепестки в зависимости от освещенности - это известно всем. Однако не каждый знает, что образование нектара тоже подчиняется суточным ритмам. Причем пчелы опыляют цветы только в определенные часы - в моменты выработки наибольшего количества нектара. Это наблюдение было сделано на заре хронобиологии - в начале ХХ века - немецкими учеными Карлом фон Фришем и Ингеборгом Белингом.
Иллюстрация «Схема "идеальных" суточных ритмов синтеза "гормона бодрствования" - кортизола и "гормона сна" - мелатонина.» У большинства людей уровень кортизола в крови начинает нарастать с полуночи и достигает максимума к 6-8 часам утра. К этому времени практически прекращается выработка мелатонина. Приблизительно через 12 часов концентрация кортизола начинает снижаться, а спустя еще 2 часа запускается синтез мелатонина. Но эти временные рамки весьма условны. У "жаворонков", например, кортизол достигает максимального уровня раньше - к 4-5 часам утра, у "сов" позже - к 9-11 часам. В зависимости от хронотипа смещаются и пики выброса мелатонина.
Иллюстрация «График зависимости количества инфарктов со смертельным исходом.» На графике представлена зависимость количества инфарктов со смертельным исходом среди больных, поступивших в клинику Медицинского колледжа университета Кентукки (США) в 1983 году, от времени суток. Как видно из графика, пик количества сердечных приступов приходится на временной промежуток с 6 до 9 часов утра. Это связано с циркадной активацией сердечно-сосудистой системы перед пробуждением.
Иллюстрация «Супрахиазматическое ядро.» Если супрахиазматическое ядро поместить в "комфортные" физиологические условия (левый снимок) и записать электрическую активность его нейрон ов в течение суток, то она будет выглядеть как периодические нарастания амплитуды разрядов (потенциал а действия) с максимумами каждые 24 часа (правая диаграмма).
Иллюстрация «Ночные животные - хомяки в период бодрствования находятся в постоянном движении.» В лабораторных условиях для регистрации двигательной активности грызунов к колесу, в котором животное бежит на месте, подсоединяется кабель. По полученным данным строятся графики, которые называются актограммами.
Иллюстрация «Главный "дирижер" биологических ритмов - супрахиазматическое ядро (СХЯ) располагается в гипоталамусе, эволюционно древнем отделе мозга.» Гипоталамус выделен рамкой на верхнем рисунке, сделанном с продольного разреза мозга человека. Супрахиазматическое ядро лежит над перекрестом зрительных нервов, через которые оно получает световую информацию из сетчатки глаза. Правый нижний рисунок - это срез гипоталамуса мыши, покрашенный в синий цвет. На левом нижнем рисунке то же самое изображение представлено схематически. Парные шарообразные образования - скопление нейрон ов, формирующих супрахиазматическое ядро.
Иллюстрация «Схема синтеза "гормона ночи" - мелатонина.» Мелатонин вызывает засыпание, а его колебания в ночное время суток приводят к смене фаз сна. Секреция мелатонина подчиняется циркадной ритмике и зависит от освещенности: темнота ее стимулирует, а свет, наоборот, подавляет. Информация о свете у млекопитающих поступает в эпифиз сложным путем: от сетчатки глаза до супрахиазматического ядра (ретино-гипоталамический тракт), затем от супрахиазматического ядра до верхнего шейного узла и от верхнего шейного узла в эпифиз. У рыб, амфибий, рептилий и птиц освещенность может управлять выработкой мелатонина через эпифиз напрямую, поскольку свет легко проходит через тонкий череп этих животных. Отсюда еще одно название эпифиза - "третий глаз". Как мелатонин управляет засыпанием и сменой фаз сна, пока непонятно.
Иллюстрация «Супрахиазматическое ядро - контролер циркадной ритмики различных органов и тканей.» Оно осуществляет свои функции, регулируя выработку гормонов гипофизом и надпочечниками, а также с помощью непосредственной передачи сигнала по отросткам нейрон ов. Циркадную активность периферических органов можно вывести из-под контроля супрахиазматического ядра, нарушив режим питания - принимая пищу по ночам.
Циркадные ритмы – это циклические колебания интенсивности различных физиологических процессов организма в зависимости от смены внешних и внутренних условий. Циркадные ритмы характерны для всех живых организмов. В том числе у человека существуют внутренние часы в согласовании с которыми меняется наша активная жизнедеятельность на протяжении всей жизни.
В зависимости от этого ритма работают различные системы нашего организма, железы внутренней секреции. Например, отход ко сну и пробуждение происходят примерно в одно и тоже время. Аналогично, если Вы питаетесь по графику, то желудочный сок начинает выделяться к моменту очередного приёма пищи. Именно наши внутренние часы определяют, заняться ли каким-то делом или пора отдохнуть.
В природе насчитывается более 100 биоритмов с периодами колебания от долей секунд до сотен лет. Длинные циклы связывают с изменениями на Солнце, Луне, в Галактике и т.д. Циркадные ритмы, совпадающие с природными, называются адаптивными (экологическими). Речь идет о суточных, месячных, сезонных и годовых циклах.
Суточные цикрадные ритмы
Суточный цикл – один из главных циклов, от которых напрямую зависит работоспособность и самочувствие человека. Это наш режим сна и пробуждения, приёма пищи, трудовой деятельности. В соответствии с ним колеблется интенсивность физиологических функций организма.
Нетривиальные примеры:
- Ежедневное повышение и снижение порога болевой чувствительности зубов. Известно, что после обеда зубы в 1,5 раза менее чувствительны к боли, а анестезия действует в несколько раз дольше, чем ночью.
- Удержание алкоголя в крови быстро увеличивается после 10 утра, а вечером наоборот, снижается.
У людей суточный циркадный ритм составляет 24 часа и синхронизирован с вращением Земли. Эти ритмы бывают как автономными (т.е. не зависящими от внешних воздействий, например, частота сердечных сокращений или вдох-выдох), так и такие, которые являются реакцией на внешние раздражители (прием пищи, отход ко сну и т.д.). В медицинской литературе высказывается точка зрения, что сутки условно делятся на 3 периода:
с 5 утра до 13.00, когда активность нарастает, метаболизм ускоряется;
с 13.00 до 21.00 – обмен веществ замедляется и активность идет на спад;
ночной – скорость обмена веществ максимально низкая, организм отдыхает.
Циркадные ритмы сна
От биологического цикла «сон-бодрствование» зависит наше ежедневное самочувствие, настроение, желание творить.
В регулировании циркадного ритма сна участвуют не только сезонные биологические циклы, но факторы цивилизации – звонок будильника, утренний кофе, душ и прочее. Но люди все разные, и ритмы сна у них не всегда совпадают. Одни с утра как огурчики, готовы горы сворачивать, энергия плещет через край. Другие раздражительны, хотят обратно в кровать, какая уж тут активная деятельность?
Ученые делят нас по этому признаку на «жаворонков», «сов» и «голубей»
«Жаворонки» — те, кто рано ложится спать и с утра встает тоже рано, при этом отлично себя чувствует.
«Совы», наоборот, привыкли поздно ложиться (вечером у них наступает пик умственной и физической активности) и подъем раньше 10-11 утра для них подобен катастрофе.
Ну, а ритм «голубей» — нечто среднее между «совой» и «жаворонком», но основная активность у них наблюдается примерно в середине светового дня.
Бытует мнение, что служащие – это, в основном, «жаворонки», «совы» — преимущественно люди умственного труда. Те же, кто работает физически – «голуби».
Некоторые ученые полагают, что циркадные ритмы определяются нашей генетикой, но бесспорно, что род нашей деятельности тоже играет значительную роль.
Сезонные биологические ритмы
Они зависят от годового движения Земли вокруг Солнца. В природе это смена времен года, продолжительность светового дня, изменение температуры окружающей среды. В прямой зависимости от этих факторов и жизнедеятельность всех растений, птиц, животных и человека.
Сезонные биологические часы «готовят» нас к каждому сезону — в течение года у людей изменяется температура тела, скорость обмена веществ, состав крови, клеток и тканей. Благодаря приспособлению к сезонным циклам природы у людей выработался определенный уклад жизни, характер питания и обустройства жилья, условия труда и отдыха.
Нарушение циркадных ритмов
Человек – это сложная, чётко организованная во времени и пространстве система. Поэтому синхронность или правильный баланс биологических часов очень сильно влияет на наше самочувствие. Сбой их происходит по разным причинам: путешествия и командировки, связанные с ними длительные перелеты, частая смена часовых поясов, работа в ночную смену, походы в ночные клубы, беременность, прием медицинских препаратов, перетренированность и приём предтренировочных комплексов в излишних количествах. В результате привычный распорядок дня ломается.
Когда возникает дисбаланс циркадных ритмов, наблюдается ухудшение сна (можно обзавестись и хронической бессонницей), аппетита, да и здоровья вообще – резкое изменение артериального давления, постоянная усталость, апатия. Исследования подтвердили, что нарушение циркадных ритмов напрямую влияет на скорость старения, это обуславливает раннее появление серьезных заболеваний.
Психические недуги имеют цикл, кратный целым суткам, многие инфекционные и хронические заболевания имеют сезонную цикличность (например, язвенная болезнь, сердечно-сосудистые и простудные недомогания обостряются в холодное время года, кишечные инфекции – летом).
Нарушение циркадного ритма сна
Наиболее заметное и доставляющее неудобства проявление сбоя циркадных ритмов – нарушение цикла «сон — бодрствование». При этом невозможность долгое время уснуть ночью и разбитое состояние днем – обычное явление. Сбой биологического ритма ежедневно отрицательно сказывается на продуктивности рабочего дня, что очень актуально для деловых людей. Постоянная усталость мешает сосредоточиться на решении важных вопросов, провоцирует принятие нерациональных решений, неправильных выводов. Да и на личном фронте также вероятны проблемы – сказывается усталость.
Всё вышесказанное характерно и для спортсменов. Помимо хронической усталости из-за сбоя циркадного ритма сна могут добавиться еще и головные боли (из-за недостатка отдыха), перепады давления, обострение имеющихся хронических заболеваний, уязвимость перед простудами.
На этом фоне особенно велико значение укрепляющей роли сна и организации правильного образа жизни с чередованием труда и отдыха, своевременным приемом пищи для сохранения ясного ума и высокой продуктивности.
Регуляция и лечение нарушений циркадных ритмов
Циркадным ритмам уделяют внимание в спортивной медицине и физиологии труда, поскольку они прямо связаны с появлением переутомления и различных заболеваний.
Для восстановления оптимального соотношения между собственным циклом сна и бодрствования и суточным (24-х часовым) циклом применяют световой режим - в тёмное и сумеречное время используется приглушённый свет – ламы, торшеры. Это позволяет нервной системе успокоиться. Так применяют изменения режима сна — например, ложиться спать в 22 часа или раньше – в зависимости от того в какое время Вас начинает клонить в сон. А также просыпаться утром в одно и тоже время. Другие методы включают хронотерапию или периодические лишения пациента сна.
Если же сбой сильный и длится уже достаточно долгое время, стоит обратиться к врачу. В таких крайних случаях под контролем врача могут применяться лекарства.
Кроме того, биологические ритмы часто сбиваются у людей с эмоциональными расстройствами. Поэтому их налаживание не обязательно даст лечебный эффект. Следует заняться приведением своих эмоций в порядок, для этого существует масса инструментов, которые надо пробовать:
- урегулирование конфликтов;
- смена окружения;
- поиск новых увлечений, приносящих положительные эмоции;
- фитнес, спорт, тренажёрный зал, бассейн;
- Mind Body (йога, стречинг, пилатес, боди-баланс);
- психотерапия;
- молитва.
Наш организм представляет собой единую систему, жизнедеятельность которой поддерживается за счет равновесия внутренней среды. При нарушении циркадных ритмов происходит сбой деятельности всей системы, то есть всего организма, возникают различные болезни. Чтобы вылечиться, необходимо опять наладить работу всей системы, т.е. восстановить ритмичность биологических часов. И цели достигаются за счет сна, отдыха, получения положительных эмоций (общение с приятными людьми, посещение парков, кинотеатров, выезды на природу и т.п.), а также путешествий и санаторно-курортного лечения.
