ПЛАН

1. Визначення поняття біологічний ритм. Основні параметри. Класифікація і еволюційні аспекти формування сучасних біоритмів.

2. Фізіологічні ритми як основний параметр існування живих організмів

3. Адаптивні фізіологічні ритми: циркадні та сезонні.

4. Концепція трьох ритмів. Сучасний погляд її суть.

5. Проблема десинхронізації біологічних ритмів.

6. Динамічні хвороби у терапії сучасної медицини.

7. Висновки. 

Біоритми є однією з найбільш загальних властивостей біосистеми і характеризують її існування в часі. Наука, що вивчає біологічні ритми живих організмів, називається біоритмологією. У ній виділяють декілька самостійних напрямків: хронобіологія, хронопатологія, хронотерапія, хронофармакологія, хронопрофілактика та інші.

Ритми поділяються за належністю до класу явиш (ритми рослин, тварин, людини та ін.), за тривалістю періода (ритми високої, середньої і низької частот), за функціональним значенням ("екологічні", або адаптивні - добові, припливно-відпливні, сезонні, річні, - та функціональні - всі інші ритми, які забезпечують динамічну рівновагу внутрішнього середовища організму).

Ритми охоплюють всі прояви життя - від субклітинних структур і окремих клітин до складних форм поведінки організмів, популяцій та екологічних систем. Ритмічність - основна властивість живої матерії, її невід'ємна ознака. "Система, наскрізь пронизана ритмами" - так образно назвав людину один з фундаторів школи дослідників біологічних ритмів Б. С. Алякринський. Головний керуючий чинник цієї системи - добовий ритм. У людини у формуванні добового ритму окремих процесів, поряд із фізичними датчиками часу (коливання температури, освітленості, магнітного поля й інших факторів середовища), важливу роль відіграє комплекс екзогенних факторів.

Синхронізація біологічних ритмів ссавців досягається шляхом комплексної взаємодії нейроендокринних структур, які формують хроноперіодичну систему, зокрема гіпоталамуса, шишкоподібного тіла та ін. Ця система локалізується на всіх рівнях організації живого організму та синхронізує власну активність із зовнішніми ритмічними змінами, створюючи універсальну часову основу динамічних процесів, що перебігають у біологічних системах різного рівня.

Живому організму притаманні одночасно всі існуючі ритми, його функції можуть синхронізуватися у різних ритмах, різноманітних діапазонах періодів. Крім того, часова структура ритмів може змінюватися під впливом випадкових зовнішніх і внутрішніх факторів. Треба брати до уваги й індивідуальні особливості в організації часової структури ("сови", "жайворонки" тощо).

Багато патологічних процесів в організмі супроводжується порушенням часової організації фізіологічних функцій. Водночас, неузгодження біологічних ритмів призводить до розвитку патологічних змін. Це так звані десинхронози. Хронологічним маркером старіння, критерієм біологічного віку є початок зміни часової структури зрілого віку, коли відбувається спонтанна внутрішня десинхронізація.

Прогресивний розвиток вчення про біологічні ритми дозволив з'ясувати основні закономірності взаємодії біоритмів організму з задавачами часу в навколишньому середовищі. Великим досягненням є дані про генетичну регуляцію біоритмів. Встановлений тісний зв'язок біоритмів з механізмами гомеостазу в організмі та їх роль в процесах адаптації. Досліджені ритми чутливості клітин, тканин, органів і організму в цілому до дії факторів хімічної і фізичної природи, в тому числі лікарських речовин. Велике значення для розвитку теоретичної і експериментальної хронобіології має розробка методів кількісного дослідження біоритмів.

Біологічні ритми - зміни, періодичність яких зберігається при ізоляції від зовнішніх джерел відліку часу протягом двох циклів  (періодів) або більше. При такій ізоляції біоритми можуть переходити на власну частоту, раніше індуковану ззовні, можуть змінювати фазу власного ритму по фазі при нав'язуванні зовнішнього ритму. Біоритми є особливістю біологічної тимчасової структури, окремим випадком більш широкої залежності життєвих процесів від часу. Біоритми можна визначити як статистично достовірні зміни різних показників фізіологічних процесів хвилеподібної форми. Періодичним коливанням в організмі людини піддається більшість фізіологічних процесів. У регуляції добової періодики функцій бере участь гіпоталамус. Вплив фотопеііодізму на ритмічність у роботі ендокринної системи в цілому і кожної залози окремо опосередковується не тільки через гіпоталамус, а й через епіфіз. Гіпоталамус допомогою рилізинг гормонів регулює тропні функції аденогіпофіза, продукція яких схильна добовим ритмам.

Відповідно до циркадних ритмів центральної гіпоталамо - гіпофізарної ланки змінюється і секреторна активність периферичних ендокринних залоз.

Основними параметрами біоритмів є такі показники:

1. Період - час між двома однойменними точками в хвилеподібно змінюючому процесі;

2. Акрофаза - точка часу в періоді, коли відзначається максимальне значення досліджуваного параметра;

3. Мезор - рівень середнього значення показників досліджуваного процесу;

4. Амплітуда - величина відхилення досліджуваного показника в обидви сторони від середньої.

Фаза коливання характеризує стан коливального процесу в момент часу; вимірюється в частках періоду, а в разі синусоїдальних коливань - в кутових і дугових одиницях.

Класіфікація ритмів базується на сурових визначеннях, які залежать від обраних критеріїв.

Ю. Ашофф (1984 р.) підрозділяє ритми:

1. за їхніми характеристиками, такими як період;

2. по їх біологічній системі, наприклад популяція;

3. за родом процесу, що породжує ритм;

4. по функції, яку виконує ритм.

Діапазон періодів біоритмів широкий: від мілісекунд до декількох років. Їх можна спостерігати, в окремих клітинах, в цілих організмах або популяціях. Для більшості ритмів, які можна спостерігати в ЦНС або системах кровообігу і дихання, характерні велика індивідуальна мінливість.  Інші ендогенні ритми, наприклад оваріальний цикл, виявляють малу індивідуальну, але значну міжвидову мінливість. Існують також чотири циркаритми, періоди яких у природних умовах не змінюються, тобто вони синхронізовані з такими циклами зовнішнього середовища, як припливи, деньі ніч, фази Місяця і пору року. З ними пов'язані приливні, добові, місячніі сезонні ритми біологічних систем. Кожен із зазначених ритмів може підтримуватися в ізоляції від відповідного зовнішнього циклу. У цих умовах ритм протікає "вільно", зі своїм власним, природним періодом.

Класифікація біологічних ритмів по Халберру найбільш поширена — класифікація за частотами коливань, тобто за величиною зворотної довжини періодів ритмів:

зона ритмів	область ритмів	довжина періодів
Високочастотна	Ультрадіанна	менш 0,5 год 0,5 - 20 год
Среднечастотная	Циркадна Інфрадіанна	20 - 28 год 28 год - 3 дні
Низькочастотна	Циркасептанна Циркадисептанна Циркавигинтанна Циркатригинтанна Цирканнуальна	7 + 3 дні 14 + 3 дні 20 + 3 дні 30 + 7 дні 1 рік + 2 міс

Класифікація біоритмів Н.І. Моісевої і В.М.Зизуєвої (1961) виділяє п'ять основних класів:

1. Ритми високої частоти: від частки секунд до 30 хв (ритми протікають на молекулярному рівні, виявляються на ЕЕГ, ЕКГ, реєструються при подиху, перистальтики кишечника та інших.).

2. Ритми середньої частоти (від 30 хв до 28 год, включаючи ультрадиадні циркадні тривалістю до 20 год і 20 - 23 год відповідно).

3. Мезоритми (інфрадіадні і циркасептанні близько сьомої години дня тривалістю 28 год і шість днів відповідно).

4. Макроритми з періодом від 20 днів до 1 року.

5. Метаритми з періодом 10 років і більше.

Багато авторів виділяють також ритми за рівнем організації біосистем: клітинні, тканинні, органні, организмові, популяційні. По формі умовно виділяють такі види фізіологічних коливань: імпульсні, синусоїдальні, релаксаційні, змішані.

Ритми з періодом в декілька років і десятиліть пов'язують зі змінами на Місяці, Сонці, в Галактиці та ін.. Відомо більше 100 біоритмів з періодом від часток секунд до сотень років.

Біологічні ритми, що збігаються по кратності з геофізичними ритмами, називаються адаптивними (екологічними). До них відносять: добові, приливні, місячні і сезонні ритми. У біології адаптивні ритми розглядаються з позицій загальної адаптації організмів до середовища проживання, а в фізіології - з точки зору виявлення внутрішніх механізмів такої адаптації та вивчення динаміки функціонального стану організмів протягом тривалого періоду часу.

У течії багатьох років еволюції "шліфувалася" тимчасова організація біосистем. Постійно адаптуючись до мінливих умов і впливам чинників довкілля, разом із живої матерією, одночасно з її ускладнюючимся розвитком, різноманітніше ставали біоритми. Доречно припустити, що еволюція тваринного світу "йшла" через вдосконалення біоритмів, виконувала провідної ролі чинників адаптації постійно змінюваних умов довкілля. Добова періодичність часу, зміна дні й ночі, індукували і закріпили добові ритми численних процесів в організмі, а зміна пори року сформувала сезонні ритми.

Основне діалектичне протиріччя біоритмів у тому, що будучи універсальною формою адаптації, через безперервні коливальні процеси вони забезпечують розвиток захисно-адаптаційних реакцій организму, символизуючи саме життя.

Ритм — яскрава ілюстрація діалектичного характеру руху. Н.Я.Пері (1925) зазначав, що "...всякий періодичний чи хвилеподібний процес є у сутності прогресивний процес, у кожному періодичному процесі щось досягається... Кожен період чі наступна хвиля не є повне повторення попередніх, а нашаровується для цієї попередньої, як його наступні і нові щаблі". У сфері живої матерії реальні ритми будь-коли мають дотримуватись суворої одноманітності. Періоди між аналогічними станами рівні лише приблизно, вони коливаються близько величини, загалом досить постійної. Ця величина — тривалість періоду — найважливіша характеристика ритму. Крива ритму будь-якої живої системи є умовне зображення безперервного руху, й кожна точка в цій кривій є умовним зображення тих станів, якими вона просто проходить, будь-коли затримуючись. Кожна точка на кривою ритму, тобто. фактично миттєвий стан, крізь який проходить деяка функція, називається "фазою". У біоритмології особливе значення надається так званим  «акрофазам» тобто тих моментах, коли реєстрований процес сягає крайніх значень: максимуму і мінімуму. Поняття "Фаза" часто використовують як позначення точки відліку під час аналізу тимчасової послідовності подій. Як таких точок відліку беруть початок сну чи момент пробудження, початок великої роботи та інших. При зміщенні цих точок у часі говорять про зсув фази. Так, зрушення фази характерні під час переходу на другий тимчасовий (новий годинниковий) пояс або заради змінного режиму роботи.

Дуже важливою характеристикою є амплітуда ритмічного процесу. До категорій біоритмів відносять зоною "блукання" фази, точніше акрофазы. Якщо недоїмку протягом, наприклад, низки добових циклів відзначати за шкалою часу становище акрофазы (максимуму чи мінімуму) ритму будь-якої функції, то це положення варіює у певному діапазоні.

Ритм — це універсальна особливість саморуху матерії, результат боротьби протилежностей, що є джерелом саморуху і характеризується безупинною зміною домінування кожної з цих двох протиборчих сторін. Так досягається якісна стійкість матеріальних об'єктів. Отже, ритм внутрішньо притаманний руху.

Фізіологічні ритми характеризуються широким спектром частот; їх період варіює від десятитисячної частки секунди і до кількох років. Часто і той же показник одночасно бере участь у кількох видах коливальних змін (напр., пульсові, дихальні і добові зміни артеріального тиску, хвилі різної частоти на ЕЕГ). Характерні одній системі ритми можуть передаватися іншій (напр., зміни частоти серцевих скорочень в ритмі дихання). Фізіологічні ритми можуть бути замасковані аперіодичними коливаннями досліджуваного показника (шумами) та іншими ритмічними коливаннями, їх форма часто буває складної. Тому розроблено спеціальні методи аналізу, які дозволяють виявляти і вивчати приховану періодичність фізіологічних процесів (гармонійний аналіз, автокорегуючий аналіз, загальне підсумовування та ін.).

Більшість фізіологічних ритмів пов'язані з чергуванням різних функціональних станів відповідних систем (напр., скорочення і розслаблення мускулатури, сон і активний період). Тож у різні фази коливального процесу відзначається різна реакція на зовнішні впливи: різний напрям усунення фази добового циклу при дії датчика часу у різні його моменти, відсутність реакції роздратування в рефракторний період, і т.п.

Адаптивні фізіологічні ритми виробилися у процесі еволюції між формою пристосування організмів до циклічномінливих умов середовища. Найбільш вивчені добові (циркадні) ритми, циркадні ритми відбивають періодичність геофізичних чинників, зумовлену обертанням Землі навколо своєї осі. У перебігу діб закономірно змінюється передусім природне висвітлення. Добові коливання піддаються циклу день-ніч, температура і вогкість повітря, напруженість електричного і магнітного поля Землі, потоки різноманітних космічних чинників, падаючих на Землю в конкретний тимчасовий цикл. Під впливом цих зовнішніх чинників відбувалася еволюція всіх форм життя Землі, коливання в час, як мільйони років як розв'язано, грають життєво значної ролі всім, без винятку на жителів Землі. Напр., для денних тварин схід Сонця — сигнал для активної діяльності: добування їжі, будівництва житла, вирощування потомства, і з настанням темряви активізуються тварини, що вели нічний спосіб життя. І всі тварини "підлаштовуються" до цього добового ритму. Хто не зможе "вписатися" у цей режим, поставлене природою, гинуть. Для виживання будь-який організм повинен підлаштувати свій ритм з зовнішніми ритмами. Адаптація конкретного організму чи видова адаптація до зовнішніх умов у широкому біологічному сенсі — це синхронізація життєвих процесів (ритмів) організму чи цілої популяції з зовнішніми ритмами, в такий спосіб, циркадна періодичність життєвих функцій є вродженою властивістю.

Цирка́дні (циркадіа́нні) ри́тми (від лат. circa — близько, кругом і лат. dies — день) — циклічні коливання інтенсивності різних біологічних процесів, пов'язані зі зміною дня і ночі. Незважаючи на зв'язок із зовнішніми стимулами, циркадні ритми мають ендогенне походження, представляючи, таким чином, «внутрішній годинник» організму. Циркадні ритми присутні у таких організмів як ціанобактерії, водорості, гриби, рослини, тварини. Період циркадних ритмів зазвичай близький до 24 годин.

Циркадні ритми ціанобактерій

Найпростіші циркадні ритми виявлені у ціанобактерій. Ціанобактерії (синьо-зелені водорості) — монофілетична група (мають одного загального предка) фотоавтотрофних (харчуються за рахунок фотосинтезу, енергії сонця) бактерій. Це одна з найдавніших і найрізноманітніших груп у світі прокаріотів. Різні представники групи сильно відрізняються один від одного як морфологічно, так і генетично, їх можна виявити майже в будь-якому, доступному для світла, середовищі проживання. Життєві цикли так само мають різну тривалість у різних представників: від декількох годин до декількох тисяч років між поділами (у деяких видів, що проживають на оліготрофних, бідних середовищах).

Вперше наявність циркадні ритмів у ціанобактерій було продемонстровано при вивченні процесів киснево-чутливої фіксації азоту та фотосинтезу з виділенням кисню. У цих процесах була показана добова ритмічність. Про це зокрема свідчили дані електронної мікроскопії, за допомогою якої вивчали кількість і розмір тих чи інших запасаючих гранул в клітинах. Пізніше було виявлено, що й інші процеси в клітинах (наприклад, поглинання амінокислот) відбуваються в рамках циркадного ритму, задовольняючи трьом основним положенням циркадних ритмів.

Крім того, виявилося, що ритмічно змінюється вся експресія генів в клітинах ціанобактерій. Були проведені досліди, в яких гени біолюмінесцентних (тих, що світяться) білків вбудовувалися в геном ціанобактерій під випадкові бактеріальні промотори. У всіх отриманих штамів спостерігалася подібна картина циркадних змін інтенсивності люмінесценції^[.

Важливість синхронізації внутрішнього ритму з екзогенним фактором освітленості для ціанобактерій було показано в ряді дослідів. Наприклад, було показано, що бактерії з порушеною синхронізацією циркадних ритмів повільніше ростуть в умовах зміни дня і ночі, тим самим, програючи бактеріям з добре налагодженими і налаштованим внутрішнім годинником. Крім того, як уже говорилося, ціанобактерії розмножуються тільки в «нічний» період, який визначається їх внутрішнім годинником, що зокрема захищає ДНК, що реплікується, від пошкоджень кисневими радикалами, які утворюються під дією ультрафіолетових променів сонця.

Циркадні ритми рослин

Циркадні ритми рослин пов'язані зі зміною дня і ночі і важливі для адаптації рослин до добових коливань таких параметрів як температура, освітлення, вологість. Рослини існують в постійно мінливому світі, тому циркадні ритми важливі для того, щоб рослина могла дати належну відповідь на абіотичний стрес. Зміна положення листя протягом доби — лише один з багатьох ритмічних процесів у рослин. Протягом доби коливаються такі параметри як активність ферментів, інтенсивність газообміну і фотосинтетична активність.

У здатності рослин розпізнавати чергування дня і ночі вирішальну роль відіграє фітохромна система. Прикладом роботи такої системи є ритм цвітіння у рослини Pharbitis nil. Цвітіння у цієї рослини залежить від довжини світлового дня: якщо день коротше певного інтервалу, то рослина цвіте, якщо довше — вегетує.

Протягом доби умови освітлення змінюються через те, що сонце знаходиться під різними кутами до горизонту, і відповідно змінюється спектральний склад світла, що сприймається різними фітохромами які збуджуються світлом з різною довжиною хвилі. Так, увечері в спектрі багато далеких червоних променів, які активізують тільки фітохром А, даючи рослині сигнал про наближення ночі. Отримавши цей сигнал, рослина вживає відповідних заходів. Важливість фітохромів для температурної адаптації було з'ясовано під час дослідів з трансгенними осиками Populus tremula, у яких продукція фітохрому А була підвищеною. Рослинам постійно «здавалося», що вони отримують світло високої інтенсивності, і таким чином вони не могли адаптуватися до добових коливань температури і страждали від нічних заморозків.

При дослідженні добових ритмів у арабідопсиса було також показано фотоперіодічность роботи трьох генів CO, FKF1 і G1. Ген constans бере участь у визначенні часу цвітіння. Синтез продукту гена CO запускається комплексом з білків FKF1 і G1. У цьому комплексі продукт гена FKF1 відіграє роль фоторецептора. Синтез білка CO запускається через 4 години після початку освітлення і зупиняється в темряві. Синтезований білок за ніч руйнується і таким чином необхідна для цвітіння рослини концентрація білка досягається тільки в умовах довгого літнього дня.