Ритмічність в біології. Значення біологічних ритмів. Біоритми людини

Наука, що вивчає ритмічність в біології, виникла в кінці XVIII століття. Її засновником вважається німецький лікар Христофор Вільям Гуфелянд. З його подачі тривалий період біологічні ритми організму вважалися залежними виключно від зовнішніх циклічних процесів, в першу чергу від обертання Землі навколо Сонця і власної осі. Сьогодні хронобіологія користується популярністю. Згідно домінуючою в ній теорії, причини біоритмів лежать як поза, так і всередині конкретного організму. Причому повторювані в часі зміни властиві не тільки окремим особинам. Вони пронизують всі рівні біологічних систем - від клітини до біосфери.

Ритмічність в біології: визначення

Таким чином, аналізованих властивість є одним з фундаментальних характеристик живої матерії. Ритмічність у біології можна визначити як коливання інтенсивності процесів і фізіологічних реакцій. Вона являє собою періодичні зміни стану середовища живої системи, що виникають під дією зовнішніх і внутрішніх факторів. Також їх називають синхронізаторами.

Біоритми, не залежні від зовнішніх (діючих на систему зовні) факторів, є ендогенними. Екзогенні, відповідно, не відгукуються на вплив внутрішніх (діючих всередині системи) синхронізаторів.

Причини

Як уже зазначалося, на перших етапах формування нової науки ритмічність у біології вважалася обумовленою лише зовнішніми чинниками. На зміну цій теорії прийшла гіпотеза внутрішнього детермінування. У ній зовнішнім чинникам відводилася незначна роль. Однак досить швидко дослідники прийшли до розуміння високого значення обох типів синхронізаторів. Сьогодні вважається, що біологічні ритми життя, ендогенні за своєю природою, схильні до змін під впливом зовнішнього середовища. Ця ідея стоїть у центрі мультіосцілляторной моделі регуляції подібних процесів.

Суть теорії

Згідно цієї концепції, ендогенні генетично запрограмовані коливальні процеси відчувають вплив з боку зовнішніх синхронізаторів. Величезне число внутрішніх ритмічних коливань багатоклітинного організму вибудувано в певному ієрархічному порядку. В основі його підтримки лежать нейрогуморальні механізми. Вони узгоджують фазові взаємини різних ритмів: односпрямовані процеси протікають синхронно, а несумісні працюють в протифазі.

Всю цю діяльність важко собі уявити без якогось осцилятора (координатора). У розглянутій теорії виділяють три взаємопов`язані регулюючі системи: епіфіз, гіпофіз і наднирники. Епіфіз вважається найбільш давнім.

Імовірно у організмів, що стоять на нижчих щаблях еволюційного розвитку, епіфіз грає головну роль. Виділяється їм мелатонін виробляється в темряві і розпадається на світлі. Фактично він повідомляє всім клітинам про час дня. При ускладненні організації епіфіз починає грати другу роль, поступаючись першістю супрахіазматичним ядрам гіпоталамуса. Питання про співвідношення у справі регуляції біоритмів обох структур до кінця не вирішене. У кожному разі, відповідно до теорії, у них існує «помічник» - наднирники.

Види

Всі біоритми поділяються на дві основні категорії:

• фізіологічні являють собою коливання в роботі окремих систем організму;

• екологічні, або адаптивні потрібні для пристосування до постійно мінливих умов навколишнього середовища.

Також поширеною є класифікація, запропонована хронобіолог Ф.Хальберг. За основу поділу біологічних ритмів він взяв їх тривалість:

• коливання високої частоти - від декількох секунд до півгодини;

• коливання середньої частоти - від півгодини до шести днів;

• коливання низької частоти - від шести днів до року.

Процеси першого типу - це дихання, серцебиття, електрична активність головного мозку та інші аналогічні ритмічність в біології. Приклади коливань середньої частоти - це зміни протягом дня обмінних процесів, режиму сну і неспання. Третій тип коливань включає сезонні, річні і місячні ритми.

Зовнішні по відношенню до людини синхронізатори діляться на соціальні і фізичні. Перші - це розпорядок дня і різні норми, прийняті на виробництві, в побуті або суспільстві в цілому. Фізичні синхронізатори представлені зміною дня і ночі, напруженістю електромагнітних полів, коливаннями температур, вологості і так далі.

Десинхронізація

Ідеальний стан організму виникає тоді, коли внутрішні біоритми людини працюють відповідно до зовнішніми умовами. На жаль, так буває не завжди. Стан, коли відбувається неузгодженість внутрішніх ритмів і зовнішніх синхронізаторів, називають десинхронозом. Він також існує у двох варіантах.

Внутрішній десинхроноз - неузгодженість процесів безпосередньо в організмі. Поширений приклад - порушення ритмів сну і неспання. Зовнішній десинхроноз - це неузгодженість внутрішніх біологічних ритмів і умов середовища. Подібні порушення виникають, наприклад, при перельоті з одного часового поясу в інший.

Десинхроноз проявляється у вигляді зміни таких фізіологічних показників, як артеріальний тиск. Часто він супроводжується підвищеною подразливістю, відсутністю апетиту, швидкою стомлюваністю. На думку хронобіологов, як вже говорилося вище, будь-яка хвороба - результат неузгодженості тих чи інших коливальних процесів.

Добові біологічні ритми

Розуміння логіки коливань фізіологічних процесів дозволяє оптимально вибудовувати діяльність. У цьому сенсі особливо велике значення біологічних ритмів тривалістю близько доби. Їх використовують як для визначення ефективного режиму праці та відпочинку, так і для медичної діагностики, лікування, і навіть вибору дози препаратів.

У людському організмі добу - період коливання величезного числа процесів. Одні з них змінюються істотно, інші - мінімально. Важливо при цьому, що показники і тих, і інших не виходять за рамки норми, тобто не стають загрозливими здоров`ю.

Температурні коливання

Терморегуляція - запорука сталості внутрішнього середовища, а значить, правильної роботи організму для всіх ссавців, у тому числі і людини. Зміна температури відбувається протягом доби, при цьому діапазон коливань зовсім невеликий. Мінімальні показники характерні для періоду від години ночі до п`ятої ранку, максимальні реєструються близько шостої години вечора. Амплітуда коливань становить при цьому найчастіше менше одного градуса.

Серцево-судинна та ендокринна системи

Робота головного «мотора» людського організму також схильна до коливань. Існують дві тимчасові точки, в які знижується активність серцево-судинної системи: яку годину дня і дев`ятій вечора.

Свої ритми властиві і всім органам кровотворення. Пік активності кісткового мозку припадає на ранній ранок, а у селезінки - на 8:00 вечора.

Секреція гормонів теж непостійна протягом дня. Концентрація адреналіну в крові зростає рано вранці і досягає свого піку на дев`яту годину. Така особливість пояснює бадьорість і активність, які найчастіше властиві людям в першій половині дня.

Акушеркам відома цікава статистика: родова діяльність в більшості випадків починається близько півночі. Це також пов`язано з особливостями роботи ендокринної системи. До цього часу активізується задня частка гіпофіза, що виробляє відповідні гормони.

Вранці - м`ясо, ввечері - молоко

Для прихильників правильного харчування будуть цікаві факти, пов`язані з травною системою. Перша половина дня - час, коли посилюється перистальтика шлунково-кишкового тракту, збільшується вироблення жовчі. Печінка вранці активно витрачає глікоген і віддає воду. З цих закономірностей хронобіологи виводять нехитрі правила: важку і жирну їжу краще їсти в першій половині дня, а після обіду і ввечері ідеальні молочні продукти та овочі.

Працездатність

Не секрет, що біоритми людини впливають на його активність протягом дня. Коливання у різних людей мають особливості, однак можна виділити і загальні закономірності. Три «пташиних» хронотипівхворих, що зв`язують біологічні ритми і працездатність, мабуть, відомі всім. Це «жайворонок», «сова» і «голуб». Перші два - крайні варіанти. «Жайворонки» сповнені сил та енергії з ранку, легко встають і рано лягають спати.

«Сови», як і їх прототип, ведуть нічний спосіб життя. Активний період для них починається приблизно о шостій вечора. Ранній підйом їм буває дуже важко перенести. «Голуби» здатні працювати як вдень, так і ввечері. У хронобіологіі їх називають арітмікам.

Знаючи свій тип, людина може більш ефективно управляти власною діяльністю. Втім, існує думка, що будь-яка «сова» може стати «жайворонком» при бажанні і наполегливості, а поділ на три типи обумовлено, швидше, звичками, ніж закладеними особливостями.

Постійна зміна

Біоритми людини та інших організмів не є жорсткими, назавжди закріпленими ознаками. У процесі онто- і філогенезу, тобто індивідуального розвитку й еволюції, вони змінюються з певними закономірностями. Що відповідає за подібні зрушення, до кінця ще незрозуміло. Існує дві основні версії на цей рахунок. Згідно з однією з них, змінами керує закладений на клітинному рівні механізм - його можна назвати біологічним годинником.

Інша гіпотеза основну роль у цьому процесі відводить геофізичних факторів, які ще належить вивчити. Прихильники цієї теорії пояснюють відмінності біоритмів особин їх становищем на еволюційних сходах. Чим вище рівень організації, тим інтенсивніше обмін речовин. При цьому характер показників не змінюється, але збільшується амплітуда коливання. Саму ж ритмічність у біології та її синхронізацію з геофізичними процесами вони розглядають як результат роботи природного відбору, приводить до перетворення зовнішнього (наприклад, зміна дня і ночі) у внутрішнє (період активності і сну) коливання ритму.

Вплив віку

Хронобіолог вдалося встановити, що в процесі онтогенезу, залежно від прохідною організмом стадії, змінюються цілодобовий ритми. Кожному періоду постнатального розвитку відповідають свої коливання внутрішніх систем. Причому зміна біологічних ритмів підпорядковане певної закономірності, описаної російським фахівцем Г.Д. Губіним. Її зручно розглянути на прикладі ссавців. У них подібні зміни пов`язані в першу чергу з амплітудами цілодобовий ритм. З перших етапів індивідуального розвитку вони наростають і досягають максимуму в молодому і зрілому віці. Потім амплітуди починають зменшуватися.

Це не єдині зміни ритмів, пов`язані з віком. Змінюються також послідовності акрофаз (акрофаза - точка часу, коли спостерігається максимальне значення параметра) і величини діапазону вікової норми (хронодезма). Якщо враховувати всі ці зміни, стає очевидним, що саме в зрілому віці біоритми прекрасно узгоджені і організм людини здатний протистояти різним зовнішнім впливам, зберігаючи своє здоров`я. З плином часу ситуація змінюється. У результаті неузгодженості різних ритмів запас здоров`я поступово закінчується.

Хронобіологи пропонують використовувати подібні закономірності для прогнозування хвороб. На основі знання про особливості коливань цілодобовий ритм людини протягом життя теоретично можлива побудова якогось графіка, що відображає запас здоров`я, його максимуми і мінімуми в часі. Подібне тестування - справа майбутнього, на думку більшості вчених. Однак існують теорії, що дозволяють побудувати щось подібне таким графіком вже зараз.

Три ритму

Відкриємо трохи завісу таємниці і розповімо про те, як визначити свої біоритми. Розрахунок у них робиться на основі теорії психолога Германа Свобода, лікаря Вільгельма Фісс та інженера Альфреда Тельчер, створеної ними на рубежі XIX і XX століть. Суть концепції в тому, що існує три ритму: фізичний, емоційний та інтелектуальний. Вони виникають у момент народження і протягом усього життя не міняють своєї частоти:

• фізичний - 23 дня;

• емоційний - 28 днів;

• інтелектуальний - 33 дня.

Якщо побудувати графік їх змін з плином часу, він прийме вид синусоїди. Для всіх трьох параметрів частина хвилі над віссю Ох відповідає підйому показників, під нею розташовується зона спаду фізичних, емоційних і розумових можливостей. Біоритми, розрахунок яких можна зробити за подібним графіком, в точці перетину з віссю сигналізують про початок періоду невизначеності, коли сильно падає стійкість організму до впливів зовнішнього середовища.

Визначення показників

Розрахунок біологічних ритмів на основі цієї теорії можна провести самостійно. Для цього необхідно підрахувати, скільки ви вже прожили: помножити вік на кількість днів у році (не забудьте, що у високосному їх 366). Отриману цифру потрібно розділити на частоту того біоритму, графік якого ви будуєте (23, 28 або 33). Вийде деяке ціле число і залишок. Цілу частину знову помножте на тривалість конкретного біоритму? f отримане значення відніміть з кількості прожитих днів. Залишок буде числом днів періоду зараз.

Якщо отримане значення не перевищує однієї четвертої від тривалості циклу, - це час підйому. Залежно від біоритму воно передбачає бадьорість і фізичну активність, гарний настрій і емоційну стійкість, творче натхнення та інтелектуальний підйом. Значення, рівне половині тривалості періоду, символізує час невизначеності. Попадання в останню третину тривалості будь-якого біоритму означає знаходження в зоні спаду активності. У цей час людині властиво швидше втомлюватися, зростає небезпека хвороб, якщо йдеться про фізичну циклі. В емоційному плані спостерігається зниження настрою аж до депресії, погіршення здатності стримувати сильні внутрішні пориви. На рівні інтелекту період спаду характеризується трудністю у прийнятті рішень, деякою загальмованістю думки.

Ставлення до теорії

У науковому світі концепція трьох біоритмів у такому форматі, як правило, критикується. Відсутні достатні підстави для припущення, що в організмі людини щось може бути настільки незмінним. Про це говорять всі виявлені закономірності, яким підкоряється ритмічність в біології, характеристики внутрішніх процесів, властиві різним рівням живих систем. Тому описану методику розрахунку і всю теорію найчастіше пропонується розглядати як цікавий варіант проведення часу, але не серйозну концепцію, на основі якої варто планувати свою діяльність.

Біологічний ритм сну і неспання, таким чином, не єдиний, існуючий в організмі. Коливань схильні всі системи, складові наше тіло, причому не тільки на рівні таких великих формувань, як серце або легені. Ритмічні процеси закладені ще в клітинах, а тому властиві живої матерії в цілому. Наука, що вивчає подібні коливання, поки досить молода, але вже прагне пояснити багато закономірностей, існуючі в людському житті і у всій природі. Вже накопичені дані дозволяють припустити, що потенціал хронобіологіі насправді дуже високий. Можливо, найближчим часом її принципами стануть керуватися і лікарі, призначаючи дози ліків відповідно з особливостями фази того чи іншого біологічного ритму.