Время с точки зрения биолога. Биоритмы и биочасы
Мы сверяем наши часы, так как общество существует за счет согласованного действия на разных уровнях своей организации. Однако каждая клетка нашего организма оказывается достаточно обособленной пространственно-временной системой, в которой осуществляются процессы обмена веществ. Интенсивность этого обмена у каждого организма индивидуальна. Имеются гипотезы об ускорении и замедлении самого времени в биологических системах. Люди, родившиеся в один день и год, выглядят совершенно по-разному. В 30 паспортных лет один выглядит на 25, а другой — на 40. Это потому, что каждый из нас живет по своим биологическим часам, в своем времени и старится вместе с ним, а социальное время существует для рациональной организации нашей жизни.
Академик В. И. Вернадский, геохимик, создавший учение о живом веществе и показавший роль живого в формировании поверхностного слоя Земли, уделял большое внимание вопросам структуры времени. Он считал, что времени должно отвечать свое пространство и что одно от другого зависит.
Изучая строение живого и, убеждаясь в правоте тех исследователей, которые показали, что живому свойственна структурная асимметрия. В. И. Вернадский высказал предположение, что и время в живом должно обладать асимметрией, отличаясь от времени неживой природы. Соответственно им было выделено понятие биологического времени, под которым он понимал «время, связанное с жизненными явлениями, вернее, с отвечающим живым организмам пространством, обладающим диссимметрией». При этом живой организм существует одновременно в двух разных мирах — в мире ньютоновской классической механики и в микромире с законами квантовой механики.
Свойства биологического времени таковы: векторность и явная диссимметрия (направление времени, от прошедшего к будущему); скрытая асимметрия, проявляющаяся в явлениях повторяемости (ритме); множественность; неравномерность.
Для каждого живого организма существует физическое время (уравнение движения), каталитическое время (необходимое для описания ферментативных реакций), время клеточного деления, время индивидуального развития, время генерации и эволюционное время. Организм должен отмерять время согласно достаточно сложной системе отсчетов, поскольку разные процессы в организме, текут в разных масштабах времени.
Скорость течения биологических процессов позволила выделить следующие пять классов:
молекулярные, протекающие от миллионных долей секунды до одной секунды;
физиологические, протекающие от сотых долей секунды до часа;
онтогенетические, охватывающие часть жизненного цикла и длящиеся месяцы и годы;
исторические, охватывающие жизнь нескольких поколений, но не влекущие за собой изменение форм жизни;
эволюционные, протекающие миллионы лет, при которых происходит не только смена поколений, но и смена форм жизни.
Биологический объект, рассматриваемый как обособленная система, кроме набора процессов, протекающих с разной скоростью, обладает еще каким-то индивидуальным (собственным, биологическим, физиологическим) временем жизни, которое составлено из времени последовательных онтогенетических процессов — фаз развития данного объекта.
Рассматривая каждую такую фазу как элемент времени, исследователи разделяют состав (выделенные элементы) и строение (последовательность выделенных элементов) времени.
Свойства неравномерности течения времени означает, что оно течет по-разному в одном и том же организме в зависимости от возраста или условий внешней и внутренней среды. Так, раны заживают быстрее в молодости, скорость рубцевания с возрастом убывает. Соотношение скорости роста с продолжительностью жизни представляет собой логарифмическую функцию.
Таким образом, возраст является органическим и функциональным состоянием и должен измеряться ритмом изменений этих состояний. В различном возрасте нужно неодинаковое количество физического времени для того, чтобы была проделана одинаковая физиологическая работа. Секунда жизни старого организма значительно беднее физиологическими процессами, чем секунда времени молодого организма, а значит, физическое время течет быстрее у старого организма, чем у молодого. Соответственно, один год пятилетнего ребенка (равный для него 1/6 его жизни) проживается в десять раз дольше, чем один год пятидесятилетнего человека.
Точно так же психологическое восприятие времени сводится к тому, что время медленнее всего течет в начале жизни, когда происходит максимальное число событий. Считается далее, что длительность отсчитываемых организмом интервалов времени зависит от интенсивности обмена веществ, которая меняется на различных этапах роста и развития.
Исходя из положения, что содержанием времени существования являются значимые биологические события, подсчитано, сколько сердечных циклов имеет место на протяжении жизни представителя определенного вида животных. Так, свинья, лошадь и лев «переживают» около 800 000 000 сердечных сокращений; мышь и корова, крыса и собака — около 900 000000; кошка — около 1 350 000 000; человек — 4 350 000000, то есть примерно в четыре раза больше, чем остальные животные.
Число сердцебиений при этом никак не переводится в годы жизни, так как это биологическое событие у всех видов идет с разной скоростью и у одного и того же вида индивидуальная скорость меняется с возрастом. Особенно четко переменная скорость биологических процессов выявляется при исследовании роста организма, у которого в процессе онтогенеза происходит попеременно, то рост (увеличение массы), то развитие, что разрешило сформулировать закон гетерогении, или аллометрпческого роста.
Очень важное свойство биологического времени — его ритмичность, связанную с особенностями течения процессов внешней среды.
Невидимые ритмы содержатся в большинстве явлений природы, в том числе в процессах в живых организмах, хотя эти явления и процессы кажутся нам просто текущими в каком-то направлении. Ритмический характер жизни на Земле именно потому не замечается, что является совершенно обыденным.
Каждые сутки Земля поворачивается вокруг своей оси, вызывая ритмическую смену дня и ночи, ритмически меняются времена года, электромагнитные поля, давление воздуха и многое, многое другое. Функции живых организмов, приспосабливаясь к жизни на ритмической планете в процессе эволюции, в свою очередь стали протекать ритмически.
Люди и животные, рыбы и моллюски соблюдают суточный — циркадный (circa — около, dies — день) ритм смены сна и бодрствования, смены активности и отдыха.
Большое число показателей жизнедеятельности организма человека: температура тела, кровяное давление, частота пульса и дыхания, результаты психологических проб, уровень сахара в крови, различных аминокислот, белков, элементов крови — словом, всего, что исследовано (а исследовано свыше сотни показателей), меняется циркадно.
И хотя внешне, человек, как буд-то один и тот же на протяжении одного дня, он, как правило, чувствует себя несколько по-разному в разные часы суток, сменяется его настроение, он с разным успехом выполняет физическую и умственную работу Симптомы различных заболеваний проявляются чаще в определенные часы суток, даже рождение человека происходит, как правило, не днем или вечером, а ночью или под утро.
Ритмическая активность обнаружена уже в единичной клетке, причем оказалось, что предельно трудно нарушить ход клеточных часов, не убив при этом клетку. Деятельность этих часов основана на том, что в клетке происходят постоянные динамические изменения, связанные с процессами обмена и получения энергии. Одни содержащиеся в клетке вещества постоянно распадаются, а другие синтезируются, в результате чего существуют незатухающие колебания их концентраций.
Кроме ритмических явлений в отдельных организмах существуют ритмические явления популяции в целом — сложной мультииндивидуальной системы, само существование которой определяется многоплановой иерархической организацией и персональных отношений, будь то муравейник, пчелиный улей или само человеческое общество. К числу таких циклических явлений относятся эпидемии, а некоторые исследователи причисляют к подобным явлениям также революции и войны.
Существует широкий спектр ритмов. Их изучением занимается наука, в равной мере очень старая и очень новая, — хронобиология.
Цель ее исследований — изучение временной структуры организма. На сегодня установлены длительность циклов различных видов активности, некоторые стационарные соотношения между ритмами. Так, например, у здорового человека отношение ритма работы сердца к ритму дыхания составляет 4:1.
Значительные усилия ученых были потрачены на то, чтобы найти способ уничтожить ритмическую последовательность функций, но оказалось, что такая задача нереальна.
Единственное, что удается, — это изменить период, передвинуть пик активности для той или иной функции человека или животных путем изменения, например, освещенности или режима сна. Так, например, выделение гормона роста падает у человека на ночное время и соответствует моменту так называемого медленноволнового сна. Если же человек уснет днем, то и тогда происходит выделение гормона роста.
Хотя ритмы являются врожденными и в большой мере генетически обусловленными, в момент рождения циклическая активность, во всяком случае, у человека, не является полностью сформированной. Циркадная организация формируется в организме после рождения преимущественно за счет перехода более высоких частот к более низким, то есть за счет превращения ритмов с часовыми периодами в циркадные — околосуточные.
Большую роль в отсчете времени организмом играют ритмические процессы — сердечные сокращения, дыхательные циклы, циклы деятельности желудочно-кишечного тракта, а также циклы обмена веществ.
Что касается возможных датчиков времени из внешней среды, сигналы которых воспринимаются организмом, наибольшее значение, особенно в происхождении циркадных ритмов, придается внешним факторам, связанным с вращением Земли. Смена дня и ночи, температурные изменения, изменения влажности и т. д. определяют способы существования на Земле.
Наконец, значительную роль для человека играют социальные датчики времени — режим труда и отдыха, а также необходимость действовать,когда надо, и спать, когда придется.
По всей вероятности, биологические ритмы находятся в зависимости от датчиков времени как самого организма, так и внешней среды, и отсчет времени организмом осуществляется с помощью сложной системы, в которой экзогенные и эндогенные влияния переплетены самым тесным образом.
В случае рассогласования сигналов различных датчиков времени происходит изменение временной структуры деятельности организма, постепенно приспосабливающегося к новым условиям. Процессы адаптации могут протекать незаметно, если изменение временной среды не было резким, или сопровождаться неприятными ощущениями, в частности утомлением, нарушением сна, если это изменение было внезапным и значительным.
В современном цивилизованном мире люди больше не живут в нормальном ритме относительно медленного времени природы. Стремление сберечь время влечет за собой передвижения с головокружительной скоростью. Появляются такие виды профессиональной деятельности, которые протекают в условиях изменения воздействий временной среды. Возможны и реально существуют следующие виды изменения временного порядка в организме.
Сдвинутые режимы сна и бодрствования. В случае работы в ночную смену (так же, как и при ночных развлечениях) временной порядок в организме и во внешней среде входит в противоречие с социальными датчиками времени. Наступает нарушение синхронизации между различными ритмами, оно постепенно сглаживается, если человек постоянно переходит на новый режим жизни.
Внезапное изменение временной среды при перелетах с пересечением нескольких часовых поясов ведет к рассогласованию сигналов датчиков времени организма, живущего еще по локальному времени того пункта, из которого начат полет, датчиков времени внешней среды и социальных датчиков времени пункта прибытия. Перестройка на новый режим начинается для различных ритмов в разное время после прилета и длится также различное время. Так, адаптация температурной кривой и сердечного ритма происходит на пятые сутки, потоотделения — на восьмые и т. д.
Изоляция от датчиков времени внешней среды постепенно становится уделом лиц редких профессий, например космонавтов, акванавтов, спелеологов.
Пребывание в космосе протекает в форме групповых полетов с сохранением обычного режима дня, то есть с сохранением социальных датчиков времени. Небольшая длительность пребывания вне Земли не позволяет судить о влиянии полного выключения всех земных датчиков времени. Основной циркадный ритм «сон — бодрствование» сохраняется.
При групповом погружении акванавтов (обычно вместе с домом, в котором они живут под водой опять-таки по обычному расписанию, то есть с сохранением социальных датчиков времени) особых сдвигов биоритмов не обнаружено, за исключением некоторого увеличения длительности сна.
Значительные изменения циркадных ритмов выявлены у спелеологов, находившихся глубоко под землей в одиночестве. Аналогичные сдвиги отмечаются у испытуемых, помещенных в изолированные камеры. В обоих случаях имело место выключение социальных датчиков времени и общая сенсорная депривация — выключение внешних раздражителей.
В этих условиях возникает так называемое свободное течение циркадных ритмов с периодом (особенно для цикла сон — бодрствование) не около 24, а около 25 часов. При этом взаимосвязи между ритмами закономерно меняются.
Широко распространено деление людей на «сов» и «жаворонков», имеющих свой пик активности и продуктивно работающих ночью или ранним утром. По всей вероятности, у этих двух типов людей большинство ритмов имеет значительный сдвиг по фазе. Они не только психологически несовместимы. Попытка пересадки органов от представителя одного типа представителю другого скорее всего окончится неудачей.
В заключение можно сказать, что циркадная временная структура, по-видимому, является одним из механизмов адаптации организма к постоянным повторяющимся воздействиям внешней среды, на которые организм не реагирует, а скорее «принимает к сведению», выверяя с их помощью начало отсчета различных циклов.