Наука про біологічні ритми

Однією з молодих наук XX і XXI століття, що розвивається нині швидкими темпами є біоритмологія або хронобіологія. Ця наука вивчає циклічні біологічні процеси, які мають місце на всіх етапах і рівнях організації живої системи.

З кожним роком підвищується інтерес до проблем біоритмології, вивчення методологічних принципів біоритмології постійно впливає на дослідження всіх рівнів організації живого – від молекулярного рівня до рівня цілісності організму. Це звичайно є підсумком того, що протягом мільйонів років еволюційного розвитку проходив процес не тільки безперервного структурно-функціонального ускладнення організмів, але й процес їх часової організації.

Адаптація організму до мінливих факторів навколишнього середовища забезпечувалася не тільки окремими органами, а цілими спеціалізованими функціональними системами, координованими в часі та просторі, які були взаємопов’язані між собою.

Зараз дослідження особливостей циклічних явищ в живій природі проводяться на різних рівнях біологічної організації – від індивідуума, як основної одиниці біологічної популяції, до екосистеми. При цьому виникає багато запитань: що лежить в основі біологічних ритмів? Які головні механізми ними керують і де розміщені центральні координуючі, регулюючі структури? Яка степінь складності біологічних систем потрібна для функціонування біологічного годинника?

Однією з найважливіших подій в міжнародній історії біоритмології був симпозіум в Колд-Спрінг Харбор в 1960 році. Матеріали симпозіуму “Биоритмологические часы” були опубліковані в 1964 році. Багато робіт представлених на цьому симпозіумі визначили генеральну лінію розвитку біоритмології.

Вперше на проблеми біологічних ритмів у живих системах людство звернуло увагу ще дві тисячі років тому. У древньогрецького поета знаходимо такі слова: “Пізнай який ритм володіє людьми будеш володіти світом”. Однак, лише з 30-х років XX століття відбувся реальний прогрес в дослідженнях біоритмів. В 1957 році Ервін Бюннінг опублікував першу актуальну досі монографію в цій галузі.

Ритми з короткими періодами: розряди рецепторних нейронів, скорочення серця і дихання ми розглядати не будемо. Основна увага буде приділятися тим ритмам, які склалися в процесі еволюції – це добові, припливні, річні ритми і місяцеві.

Отже повторення подій в біологічній системі організму за більш або менш рівні проміжки часу можна розглядати як біологічний ритм.

Класифікація ритмів. Ритми можна поділити:

1) За їх власним характером (період ритму).

2) За біологічною системою (популяції, групи популяцій та ін.).

3) За видом процесу який породжує ритм.

4) За функціями які ритм виконує.

Спектр ритмів

Біологічні ритми охоплюють широкий діапазон періодів – від мілісекунд до декількох років. Їх можна спостерігати в окремих клітинах, тканинах, органах, цілих організмах або тільки в популяціях.

Ритми можна також поділити на екзогенні – які виникають при періодичній дії зовнішніх факторів, і на ендогенні – породжуються всередині системи внаслідок певних змін.

Протягом всього спектру ритми дуже сильно відрізняються. Для більшості ритмів, які можна спостерігати в ЦНС, в системах кровообігу і дихання, характерні великі індивідуальні зміни. Існують чотири циркаритми – це періоди, які в природних умовах не змінюються, так як вони синхронні з циклами зовнішнього середовища. Такі ритми носять назву геофізичні цикли: припливи, день і ніч, фази місяця і пори року. З ними пов’язані припливні, добові, місяцеві і сезонні ритми біологічних систем.

Для фізичного середовища, в якому живуть живі організми, характерні періодичні зміни, обумовлені рухом Землі і місяця відносно Сонця. Життя з моменту свого виникнення і протягом декількох мільярдів років повинне було пристосуватися до інтенсивних добових і річних коливань, освітленості і температури. Припливні ритми почали впливати на життя з того часу коли була заселена прибережна лінія. На суші до добових коливань освітленості і температури, ще також додалися коливання вологості й інших факторів. Ці геофізичні цикли постійно кидали виклик живим організмам. Тому природній добір повинен був знаходити на всі такі зміни адекватну відповідь. З іншого боку, виняткова стабільність геофізичних циклів базується на законах небесної механіки, дала можливість використовувати в якості життєвої стратегії набуті програми.

В результаті пристосування в еукаріотичних організмів значною мірою поширилися програми обміну речовин і поведінки. Так наприклад, харчування нічних гризунів приурочено до першої половини ночі. Ця поведінка продовжується в цій фазі і повторюються через кожні 24 год. в умовах постійної темноти і відсутності будь-яких орієнтирів які вказують на час.

У рослин фотосинтез може відбуватися тільки вдень. Але зелені клітини при неперервному освітленні на протязі тижнів зберігають циркадіанні коливання виділення кисню, що відображає запрограмовані біоритми “суб’єктивної ночі”.

Деякі ізоподи літоральної зони харчуються лише під час припливу, а коли море відступає вони зариваються в пісок. Бокоплави, навпаки, харчуються тільки на узбережжі під час відпливу і ховаються з поверненням води. У двох випадках припливні ритми зберігаються в експериментальних умовах без коливання рівня води при постійній температурі й освітленості.

Як тепер встановлено, репродуктивні цикли птахів і земноводних зберігаються і в постійних лабораторних умовах без будь-яких сезонних коливань.

Всі ці програми – добові, припливні, місяцеві й річні засновані на самопідтримуючих і незатухаючих біологічних осциляторах. Є, звичайно, біологічні ритми які зустрічаються лише у тварин. Наприклад, пам’ять на час і орієнтація за сонячним компасом, зустрічається тільки у тварин, для їх здійснення потрібна достатньо сильно розвинута нервова система.

Пам’ять на час. Півстоліття назад професор Бенінг показав, що медоносні бджоли знайшовши мед в три години дня на наступний день знову прилітають до того ж місця в той же час. Отже, вони запам’ятовують час, фіксуючи події строго по добовій шкалі, період якої не залежить від температури.

Орієнтація за сонячним компасом (птахи). Птахи навчені літати в певному напрямку для пошуку їжі. Коли їх утримувати 12 днів при постійному освітленні, то після такої ізоляції спостерігаються помилки в орієнтації при пошуку їжі (але не значне).

Фотоперіодична реакція (вимірювання довжини дня). Зумовлює (зимову сплячку, естивацію, спокій, діапаузу).

Ритми з різними періодами можуть бути взаємозалежні і взаємоузгодженні.

Ритми з періодом, що приблизно збігається з тривалістю доби називають циркадіанними (добові) – цикл сну і неспання, добові коливання температури тіла, концентрації гормонів, сечовиділення, спади і підйоми розумової і фізичної працездатності.

Ритми з періодом більше доби складають групу інфрадіанних ритмів (зимова сплячка). Такі цикли повторюються менш, ніж один раз на добу.

Ритми з періодом близько одного року є циркануальними. Вони дозволяють тваринам програмувати свою діяльність, пов’язану з розмноженням. Такі ж ритми допомагають людині адаптуватись до змін пір року. Однак постійне підвищення комфортності життя людини призводить до зменшення чутливості організму до зміни пори року. Біологічний годинник який відповідає за реагування на такі зміни дещо притуплюється.

Ритми з періодом меншим за тривалість доби – ультрадіанні (6-8 годинний нормальний сон людини).