11.2. Циркадианная организация функций человека

Большинство физиологических и биохимических процессов в организме челове­ка и животных связано со световым режимом и изменяется закономерно в тече­ние суток. Поэтому циркадианный биоритм — базисный биоритм человеческо­го организма. Появление циркадианных ритмов позволило живым организмам «измерять» время, отсюда появилось такое понятие, как «биологические часы». Древнейшая функция циркадианного биоритма заключалась в приурочивании максимальной биологической активности к определенному времени суток, ко­торое было бы наиболее благоприятно для деятельности данного организма.

В основе циркадианной организации функций лежит периодическая смена бодрствования и сна. В целом у человека психическая деятельность и физичес­кая работоспособность эффективнее в дневные часы, чем ночью. В светлой фазе суток у человека больше двигательная активность. Возрастание умственной ра­ботоспособности выражается в повышении скорости переработки информации, эффективности обучения. В это же время повышается биоэлектрическая актив­ность мозга (рис. 11.2).

Можно выявить два пика мозговой деятельности людей в дневные часы: вы­сокая активность в 10-12 и в 16-18 ч, спад — к 14 ч. Однако существуют индиви­дуальные различия временного распределения работоспособности.

Как правило, в ночные часы умственная работоспособность уменьшается. Но это не означает полного исчезновения биоритмов. Сон — это не только ком-

276

^{6 12} 18 24 Часы

Рис. 11.2. Циркадианный ритм умственной работоспособности школьников

понент циркадианного биоритма (сон-бодрствование). Он состоит из 5-7 повто­ряющихся циклов, т. е. должен рассматриваться как биоритмический феномен.

Суточные колебания работоспособности четко коррелируют с ритмами от­дельных физиологических систем и обмена веществ. К концу дня у человека на­блюдается максимум частоты, глубины и объема дыхания, сократительная функ­ция миокарда достигает наибольших значений. Кровообращение наиболее интен­сивно днем в головном мозге и мышцах, а ночью — в сосудах кистей рук и стоп.

В течение суток изменяется и реактивность сердечно-сосудистой системы к нагрузкам. Днем физическая нагрузка вызывает больший прирост кровообра­щения, чем ночью. Поэтому одна и та же нагрузка ночью ощущается как более тяжелая, что необходимо учитывать при работе в ночную смену.

Циркадианная ритмика охватывает и органы кроветворения. Костный мозг наиболее активен утром, поэтому в утренние часы в кровоток поступает наиболь­шее количество молодых эритроцитов. Содержание гемоглобина в крови самое высокое с 11 до 13 ч, а его минимум приходится на 16-18 ч. Скорость оседания эритроцитов минимальна рано утром и максимальна в 9-10 ч.

Суточные колебания проявляются в процессе свертывания крови: в ночное время происходит уменьшение свертывающей активности, а днем этот процесс постепенно усиливается и достигает максимальных значений в полдень.

Бронхиальная проходимость снижена в ночные и утренние часы, но, начиная с 11 ч, она увеличивается и достигает максимума к 18 ч.

От фазы суточного ритма зависит деятельность желудочно-кишечного трак­та людей. Слюноотделение, секреция желудочного и поджелудочного сока, двига­тельная активность желудка и кишечника больше днем, чем ночью. Данная зако­номерность проявляется даже у людей, работающих в ночную смену.

Хотя желчь вырабатывается печенью непрерывно, ее выделение неодинаково в разное время суток: в первой половине дня оно больше, а в вечерние часы —

277

меньше. Это создает условия для лучшего переваривания жиров в первую поло, вину дня, когда человеку особенно необходимо энергетическое обеспечение его функций. В первой половине дня более интенсивно происходит процесс распад_а гликогена в печени с освобождением глюкозы. Во второй половине дня и ночью печень усиливает ассимиляцию глюкозы и синтез гликогена, создавая энергети­ческий резерв для следующего дня.

Циркадианный режим характерен и для функции почек. В утренние часы в канальцах почек происходит особенно активная реабсорбция фосфатов, глюкозы и других веществ, необходимых для поддержания энергетических расходов орга­низма. Реабсорбция воды в почках увеличивается в ночное время, в результате чего ночью уменьшается выведение мочи.

Интенсивность метаболических процессов, протекающих как на уровне от­дельной клетки, так и в пределах целого организма, особенно высока в часы наи­большей активности. Так, у человека в дневное время активизируются процессы катаболизма (распада) углеводов и белков, а в ночное время преобладают анабо­лические процессы, т. е. синтез веществ, обеспечивающих пластические и энерге­тические функции.

Суточные колебания уровня метаболических процессов коррелируют с тем­пературой тела. У человека самая высокая температура тела отмечается в вечер­нее время, самая низкая — в утренние часы.

Суточные колебания деятельности внутренних органов и обмена веществ во многом определяются изменениями нейроэндокринной регуляции в цикле бодр­ствование - сон. Во время бодрствования преобладает функциональная активность симпато-адреналовой системы. Циркадианные ритмы характерны и для функции желез внутренней секреции. В первой половине ночи увеличена секреция соматот-ропина, пролактина и тиреотропина. Кортикотропин выделяется из гипофиза во второй половине ночи.

С ритмами гипоталамо-гипофизарной системы связаны колебания функции периферических эндокринных желез, но максимальный уровень их секреторной активности отстает на 2-3 ч от выделения гипофизарных гормонов. Так, если кор­тикотропин секретируется максимально во второй половине ночи, то кортико-стероиды — ранним утром, что создает условия для хорошей работоспособности человека сразу же после пробуждения. А ритм тиреоидных гормонов достигает максимума во второй половине ночного сна.

Суточные ритмы различных функций организма образуют единое целое, в ко­тором прослеживается строго упорядоченная последовательность метаболичес­ких, физиологических процессов и поведенческих актов. У животных ведущими являются ритмы поведенческой деятельности, а у человека — трудовой. Биорит­мы человека могут в определенной мере перестраиваться при изменении условий работы, например, при переходе из дневной смены в ночную. У человека наблюда­ется социальная детерминированность ритмических колебаний физиологических и биохимических процессов.

_lt>3. БИОРИТМОЛОГИЧЕСКАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ ФУНКЦИЙ ОРГАНИЗМА

Сезонные биоритмы

Сезонные биоритмы у животных сформировались в ответ на изменения про-_оЛЖительности светового дня, температуры окружающей среды, кислородного обеспечения, наличия пищи и воды в разные периоды года. Примером генети­чески закрепленного сезонного биоритма у животных служат весенние и осенние _передеты птиц. У животных четко выражены зимняя спячка, сезонная линька, сезонность репродуктивных функций. Это связано с метеорологическими факто­рами, действующими в разные времена года. .,_;

У человека, жизнедеятельность которого'мелыне зависит от изменяющихся метеоусловий, сезонные биоритмы выражены слабее. Тем не менее, некоторые функции человека зависят от сезонности. Так, максимальное увеличение роста у детей происходит весной и ранним летом, а минимальное — зимой. Зимой содер­жание общих липидов и жирных кислот вирлазме и эритроцитах крови больше, чем летом, что имеет существенное энергетические значение.

Человек не относится к живым существам с выраженным сезонным ритмом размножения. Однако половая активность мужнин снижается в конце зимы, и в это же время обнаруживается максимум нежизнеспособных половых клеток. С наступлением весны происходит активирование половой функции. Увеличение концентрации тестостерона происходит у мужчин в конце лета и начале осени.

Зимой увеличивается активность симпато-адреналовой и гипофизарно-тире-оидной систем. Значительная выработка катехоламинов, возбуждение симпати­ческих нервов и повышенная продукция тиреоидных гормонов усиливают работу энергетических механизмов организма в условиях холодной температуры окружа­ющей среды и, следовательно, способствуют сохранению нормальной температу­ры тела.

В летнее время как у животных, так и у человека увеличивается выработка вазопрессина — нейрогормона, одной из функций которого является сохранение воды в организме. Это предохраняет организм от обезвоживания в жаркое время года.

Система кровообращения человека функционирует наиболее напряженно в холодное время года, поэтому сердечно-сосудистые патологии протекают цик­лично. У жителей северного полушария акрофаза смертности от сердечно-сосу­дистых заболеваний совпадает с январем. В южном полушарии наибольшая час­тота сердечно-сосудистых заболеваний приходится на июнь.

Иммунная система организма человека максимально напряжена зимой. Наи­более благоприятна для человека ранняя осень. Осенью у человека повышается обмен веществ и потребление кислорода, организм насыщается витаминами, а это улучшает метаболические процессы. Прохлада, наступающая после летней Жары, повышает тонус нейроэндокринной регуляции функций. Стимулирующее влияние на человека оказывают факторы среды, воспринимаемые важнейшими

278

279

анализаторными системами организма: яркие краски осенних растений, их ар₀ маты. Все эти факторы благоприятно действуют на человека.

Кроме сезонных и околосуточных биоритмов существуют и другие. Например спортсмены-мужчины достигают наивысших результатов раз в три года, а женщ_и' ны-спортсменки — раз в два года. Колебания душевного состояния на протяжении всей жизни человека происходят с периодичностью в 6-7 лет. Каждый из этих пе-риодов характеризуется особым творческим подъемом.

Астрофизические факторы и биоритмы

Эволюция Земли и биосферы неразрывно связана с эволюцией космоса, в част­ности с Солнечной системой. Впервые серьезное внимание на связь явлений астро­физической природы с жизнью организмов обратили В. И. Вернадский и А. Л. Чи­жевский.

А. Л. Чижевский одним из первых проанализировал взаимосвязи проявле­ний солнечной активности — пятен на Солнце — с биологическими процессами, в частности, с эпидемическими заболеваниями. Он является основателем гелио­биологии*. Солнечная активность ритмически колеблется, потому что, во-первых, каждая активная область проходит определенный цикл развития и, во-вторых, во времени меняется количество пятен, т. е. взрывов на Солнце. Средний период ко­лебаний активности Солнца — 11 лет.

В годы максимальной солнечной активности увеличивается и активность ря­да вирулентных бактерий, поэтому учащаются эпидемии. Чаще возникают забо­левания сердечно-сосудистой системы: гипертонические кризы, инфаркт миокар­да, мозговые инсульты. В момент геомагнитных бурь возрастает число автокатас­троф и случаев травматизма на производстве.

А. Л. Чижевский считал, что повышение уровня солнечной активности выво­дит организм из состояния устойчивого равновесия и провоцирует болезненные состояния.

Луна также влияет на живые организмы. Вследствие ежемесячного движения Луны (лунный месяц — 28 суток) изменяется геомагнитное поле, что в свою оче­редь влияет на погоду и живые организмы. Особенно большое влияние оказыва­ет наложение солнечных и лунных приливов, когда Луна и Солнце располагают­ся примерно на одной прямой. 71унные биоритмы обнаружены у плоских червей, моллюсков, крабов, некоторых видов рыб и птиц.

Трудность изучения действия отдельных геофизических и астрофизических факторов на человека связана с тем, что они действуют комплексно и их трудно отличить друг от друга.

Синхронизация биоритмов

Суточные ритмы биохимических процессов и физиологических функций строго организованы, т. е. биоритмы согласованы во времени, или синхронны. Например,

* Гелиобиология — раздел биофизики, исследующий влияние активности Солнца на зем­ные организмы.

ЦСС и частота дыхания соотносятся как 4 : 1 (72:18, 80:20). Именно это соот­ношение обеспечивает оптимальное снабжение тканей кислородом и согласуется _с ритмами обмена веществ.

Согласно такой организованности биоритмов, существуют эндогенные (внут­ренние) и экзогенные (внешние) факторы, которые играют роль «датчиков време­ни». Так, у спелеологов (более 100 человек), которые находились в пещерах в усло­виях полной изоляции от внешних «датчиков времени» (смены освещения, трудо­вой деятельности, информации о событиях во,.внешнем мире и т. д.) изменялось субъективное ощущение времени и цикл сон'/- бодрствование. Например, у од­ного спелеолога длительность бодрствования продолжалась 45 ч, а сон — 20 ч, а он оценил бодрствование в 14 ч, сон — в 8-^fO ч. Такая десинхронизация ритмов объясняется наличием эндогенных и экзогенных механизмов, которые определя­ют ритмическую структуру функций живого организма.

Существует несколько теорий о природе эндогенных и внутренних факторах. В 1976 г. была разработана хрононгипотеза, согласно которой в структуре ДНК есть участок — «хронон», контролирующий биоритмы. Согласно же мультиосцил-пяторной модели биоритмов (лат. multi — много,;oscillatio — колебание), в организ­ме существует множество водителей ритма — пейсмейкеров (англ. рясе — скорость, темп, make — делать). Они генерируют колебания, т. е. являются осцилляторами. Пейсмейкеры могут находиться как в клетках органов, так и вне функционирую­щих клеток.

Общая синхронизация осуществляется внешними факторами. К ним отно­сятся геофизические факторы: фотопериоды (день-ночь), колебания геомагнит­ного поля Земли, значительные изменения температуры среды и др.

Для современного человека большое значение имеет изменение филогенети­чески сложившегося стереотипа. Человек — существо дневной активности, но в современных условиях он нередко вынужден работать в ночную смену. Из-за де­фицита времени у человека решение многих бытовых проблем переносится на ве­черние и ночные часы. Такие социальные факторы изменяют эволюционно свойст­венные человеку биоритмические процессы.

Таким образом, живым организмам свойственна наследственно закрепленная цикличность многих физиологических процессов, т. е. биоритмы имеют эндоген­ную природу. Однако в организации колебательных процессов в организме, в их интеграции, большую роль играют экзогенные факторы: геофизические (для жи­вотных и человека) и социальные (для человека).

Нервные и гуморальные механизмы ритмической организации физиологичес­ких функций

В процессе эволюции выработались сложные механизмы нервной и гумораль­ной регуляции биоритмов, их оптимальная синхронизация. Наиболее изучены механизмы регуляции циркадианных биологических ритмов, которые возника­ют в результате суточных колебаний освещенности и других геофизических фак­торов.

280

281

Запуск циркадианных колебаний и их взаимосвязь осуществляется деятель­ностью центрального нервного механизма, который выполняет пейсмейкерную функцию. Для реализации действия центрального пейсмейкера, передачи его «ко­манд» к органам и тканям необходимо участие гуморального, прежде всего гормо­нального, звена регуляции.

Свет является основным фактором, который определяет деятельность суп-рахиазматических ядер (СХЯ) как биологических часов. Информация о свето­вом режиме поступает в СХЯ из сетчатки глаза. Они получают также сигналы от других отделов мозга (афферентные входы) и посылают импульсы к различным мозговым структурам (эфферентные входы). Через эфферентные пути СХЯ участ­вуют в регуляции ритмической деятельности эндокринной системы, кровообра­щения, пищевого поведения и других функций.

Другой структурой, важной для ритмической организации функций, являет­ся эпифиз, или шишковидная железа. Эпифиз — нейроэндокринный трансдуктор, т. е. орган, передающий информацию об освещенности среды от нервной систе­мы к эндокринной. В клетках эпифиза синтезируется биологически активное ве­щество — мелатонин. Активность синтеза мелатонина зависит от времени суток: в темную фазу суток он максимален, в светлую — минимален. Вырабатываемый эпифизом мелатонин поступает в гипоталамус. Таким образом, через мелатонин СХЯ связаны с гипоталамусом, в частности, с его нейросекреторными клетками, вырабатывающими нейрогормоны и регулирующими гормональную функцию пе­редней доли гипофиза. Мелатонин тормозит гипоталамическую нейросекрецию, что, в свою очередь, снижает выработку тройных гормонов гипофиза и вызывает уменьшение активности периферических желез внутренней секреции.

Биоритмологическая индивидуальность

У людей и животных установлена биоритмологическая индивидуальность, кото­рая определяется генотипическими особенностями эндогенных пейсмейкеров и различиями реакции на действие внешних факторов.

Среди людей существуют жаворонки и совы, т. е. люди, у которых акрофаза биоритмов приходится на утро или вечер соответственно.

У жаворонков более высокая работоспособность в утреннее время. Они ло­жатся спать и просыпаются в среднем на 2 ч раньше сов, их сон от ночи к ночи более стабилен. У сов работоспособность более высокая вечером и ночью.

Существуют разные методики выявления биоритмологической индивидуаль­ности: измерение температуры тела, ЧСС, дыхания, уровня обмена веществ в те­чение суток: