Лекция № 28

Биологические ритмы и среда обитания

1. Характеристика биологических ритмов.

2. Циркадианные ритмы.

3. Приливные и лунные ритмы.

4. Низкочастотные ритмы.

5. Значение биологических часов.

6. Хронобиология.

7. Гормоны и биоритмы.

8. «Циркадный центр».

9. Часовые гены.

10. Световой день и биоритмы.

11. Суточные ритмы органов и тканей.

1. Характеристика биологических ритмов

Биологические ритмы – это периодические воспроизведения изменений характера и интенсивности биологических процессов и явлений. Они в той или иной форме присущи всем живым организмам и отмечаются на всех уровнях организации.

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, изучаются физиологией.

Биологические ритмы наследственно закреплены и являются важнейшим фактором адапта­ции и эволюции в целом.

Биологические ритмы могут возникать как реакция на периодические изменения среды (экзогенные ритмы), либо генерируются самим орга­низмом (эндогенные ритмы).

Эндогенные ритмы «идущие изнутри»: во многих случаях сохраняются даже при постоянстве условий среды. 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.

Экзогенные ритмы имеют внутренний компонент, который сохра­няется в постоянных лабораторных условиях на фоне температурных сдвигов и изменений химического состава и других условий среды. При этом их период не зависит от интенсивности обменных процессов. Так, у помещенных в лабораторный аквариум морских моллюсков длитель­но сохраняется приливная и лунная периодичность открывания ство­рок раковин.

Экзогенные ритмы способны «подстраиваться» к изменениям цик­личности внешних условий, однако лишь в определенном (ограничен­ном) временном диапазоне. Такая подстройка возможна потому, что в течение каждой фазы ритма имеются определенные интервалы време­ни (время потенциальной готовности), когда организм готов к воспри­ятию сигнала извне, например, яркого света, или темноты, резкого похолодания и т. д. Поэтому если сигнал несколько запаздывает или приходит преждевременно, то фаза ритма сдвигается: начинается и заканчивается позднее или, наоборот, раньше.

Исходя из продолжительности периода, биологические ритмы под­разделяют на:

• околочасовые ритмы с периодичностью один или несколько (до 6) часов; они свойственны, например, внутриклеточному метаболизму (синтезу белков и т. п.).

• ультрадианные ритмы с периодичностью 7 – 15 часов (например, процесс синтеза, накопления и выделения секрета)

• суточные (циркадные, циркадианные), или околосуточные рит­мы с периодом 20 – 28 часов.

• инфрадианные ритмы с периодичностью 23 – 28 дней (например, лунный ритм у женщин с периодичностью 28 дней).

• окологодичные (цирканные) ритмы – повторяющиеся изменения интенсивности и характера биологических процессов и явлений с периодом от 10 до 13 месяцев. Эти ритмы часто расходятся с периодичностью изменений внешней среды, что указывает на их обусловленность эндогенным фактором.