Хронобиология

биоритмов
5. Циркадианные биоритмы человека
6. Значение мелатонина в организме
7. Значение ритмичности

для организма.

в «Ветхом Завете» даны указания о правильном образе жизни, питании,

чередовании фаз активности и отдыха. О том же писали ученые древности: Гиппократ, Авиценна и другие.
Основателем хронобиологии — науки о биоритмах, принято считать немецкого врача
К. В. Гуфеланда , который в 1797 году обратил внимание коллег на универсальность ритмических процессов в биологии: каждый день жизнь повторяется в определенных ритмах, а суточный цикл, связанный с вращением Земли вокруг своей оси регулирует жизнедеятельность всего живого, включая организм человека.
Первые систематические научные исследования в этой области начали проводиться в начале XX века, в том числе российскими учеными И. П. Павловым, В. И. Вернадским, А. Л. Чижевским и другими.
К концу XX века факт ритмичности биологических процессов живых организмов по праву стал считаться одним из фундаментальных свойств живой материи и сущностью организации жизни.
В результате в науке о биоритмах возникло два научных направления: хронобиология и хрономедицина.

попытки определить ещё целый ряд новых закономерностей.
Шведский исследователь Э. Форсгрен

в опытах на кроликах обнаружил суточный ритм гликогена и желчеобразования (1930).
Советские ученые Н. Е. Введенский, А. А. Ухтомский, И. П. Павлов и В. В. Парин осуществили попытку теоретически обосновать механизмы возникновения ритмических процессов в нервной системе и показали, что колебания характеристик состояния нервной системы определяются прежде всего ритмами возбуждения и торможения.
В 1959 году Юрген Ашофф , обнаружил закономерность, которая была названа «правилом Ашоффа: «У ночных животных активный период (бодрствование) более продолжителен при постоянном освещении, в то время как у дневных животных бодрствование более продолжительно при постоянной темноте».
Им было установлено, что при длительной изоляции человека и дневных животных в темноте, цикл «бодрствование-сон» удлиняется за счет увеличения продолжительности фазы бодрствования. Ю. Ашофф предположил, что именно свет стабилизирует циркадные ритмы организма.

организма и колебаний интенсивности физиологических процессов и реакций.
Благодаря биоритмам обеспечивается

внутреннее движение, развитие организма, его устойчивость к воздействию факторов окружающей среды.
Это осуществляется за счет ритмического чередования процессов анаболизма и катаболизма (И. Е. Оранский, 1988).
Изучением биоритмов занимается наука - хронобиология, составной частью которой является хрономедицина.

(циклические) феномены, протекающие у живых организмов во времени, и их

адаптацию к солнечным и лунным ритмам
Эти циклы именуют биологические ритмы .
Хронобиологические исследования включают, но не ограничиваются ими, работы в области сравнительной анатомии, физиологии, генетики, молекулярной биологии и биологии поведения организмов. Другие аспекты включают исследование развития, воспроизведения, экологии и эволюции видов.

ритмах, которые изучаются в рамках хронобиологии. Биологические ритмы — это ритмические

проявления временной структуры организма, поэтому хрономедицина не исчерпывается одними только биологическими ритмами, а пытается рассмотреть всю «временную структуру организма» в целом.
Хрономедицина— это молодая область междисциплинарных исследований, которая находится в процессе становления. В хрономедицине находят свое применение методы математической обработки временных рядов, которые используются для анализа ритмических проявлений физиологических процессов организма.
Таким образом хрономедицина оказывается на стыке наук: медицины (диагностика и лечение заболеваний), хронобиологии (разработка теоретических представлений) и математики (разработка методов математического анализа ритмических проявлений).

десятков лет.
В связи с этим различают низко-, средне – и

высокочастотные биоритмы.

1. Ритмы высокой частоты – от долей секунды до 30 минут, (осцилляция на молекулярном уровне, ритмы электроэнцефалограммы, сокращения сердца, дыхания, перистальтика кишечника)

– включают:
А) ультрадианные (от 30 мин до 20 час). Сюда

относятся колебания главных компонентов мочи и крови с частотой одного цикла около 20 час., повторение стадий быстрых движений глаз через каждые 90 мин сна, процессы секреции;
Б) циркадианные (околосуточные) (от 20-28 час). Они синхронизированы с вращением Земли вокруг оси, сменой дня и ночи (ритмы «сон-бодрствование», суточные колебания температуры тела, АД, частоты клеточных делений и др.) сохраняются в течение жизни организма.
В) инфрадианные (от 28 час до 6 суток) ритмы наименее изучены (недельный ритм выделения с мочой некоторых гормонов).

Циркасептидианные (7 дней - околонедельные);
Б) Циркавигинтидианные (около 20

дней)-эндокринные (менструальный) и метаболические процессы;
В) Циркатригинтидианные (30 дней - лунные);
Г) Циркануальные - сезонные (около 1 года)- медленные метаболические и эндокринные процессы и другие функции организма
Д) макроритмы (обусловленные циклами солнечной активности с периодами 2 года, 3 года, 5 лет, 8 лет, 11 лет, 22 года, 35 лет);
Е) мегаритмы (свыше 10 лет). Изменение численности популяций, видов животных, вспышках эпидемий.

компонента биоритма – это воздействие на организм любого внешнего фактора,
Эндогенная

– обусловлена ритмическими процессами внутри организма и определяется генетической программой организма, которая реализуется через нервный и гуморальный механизмы.

ее по околосолнечной орбите, геофизи-
С солнечной активностью,

ческие Изменением магнитного поля Земли и
ряда других геофизических и космических
факторов
среди внешних «датчиков времени»
наиболее значимы свет, температура
и периодически повторяющиеся социальные социаль
факторы (режим труда, отдыха, питания) -ные

биологических часов. Для объяснения предложены гипотезы:
1. «Хрон-гипотеза». К. Д. Ере

и Е. Тракко.
Механизм околосуточных ритмов связан с определенным участком ДНК.
2. «Мембранная теория». Цикличность регулируется состоянием липидно-белковых мембран и их проницаемостью для ионов калия, которая периодически меняется. Мембраны клетки, обладая рецепторными свойствами, контролируют биоритмы, связанные с фотопериодизмом и действием температурных факторов.
3. «Мультиосцилляторная модель». У человека обнаружено более 300 ритмически меняющихся с периодом около 24 часа физиологических функций.
Мультиосцилляторный принцип организации повышает адаптивную пластичность организма, позволяя эффективно приспосабливаться к различным по временной организации условиям среды.

уровней (Д.П.Билибин,В.А.Фролов,2007)
Первый уровень связан с деятельностью эпифиза.
Второй уровень связан с

супраоптической частью гипоталамуса, который с помощью так называемого субкомиссурального тела имеет связи с эпифизом.
Третий уровень лежит на уровне клеточных и субклеточных мембран.

ночи (входным «рецептором» являются в том числе и глаза)

День
Ночь

Триптофан (синтезируется в эпифизе)

Серотонин (В СВЕТЛОЕ ВРЕМЯ СУТОК)

Мелатонин (В ТЕМНОЕ ВРЕМЯ СУТОК)


Мелатонин продуцируется также сетчаткой, цилиарным телом глаза, органами ЖКТ. Гормон мелатонин доносит информацию от СХЯ (супрахиазматического ядра) до органов и клеток

эпифиз
гипоталамуса.



биоритмы

Разрушение супраоптической части гипоталамуса ведет к нарушению биоритмов.

обладают хронорегуляторным действием.
Об этом косвенно свидетельствуют факты о влиянии электрических

и магнитных полей на мембраны, а через них и на биоритмы.

Таким образом, координирующую роль в синхронизации ритмов всех клеток играет гипоталамо-гипофизарная система.

время считается что он составляет 25,0 +0,5 ч

и не зависит от того, выполняется ли тяжелая физическая работа или соблюдается постельный режим.

Основные суточные ритмы человека:

1. Умственная и физическая работоспособность
2. Дыхание
3. Сердечно-сосудистая система
4. Метаболические процессы

точность переработки информации. Физический труд также эффективнее днем, чем ночью.

Сила мышц и их выносливость тоже выше.
Дыхание. Суточные ритмы частоты, глубины и минутного объема дыхания максимальны в дневные часы, причем максимумы скорости вдоха и выдоха приходятся на вторую половину дня.
Сердечно-сосудистая система. Максимум частоты сердечных сокращений приходится на вторую половину дня. Диастолическое давление нередко выше ночью и утром.
Метаболические процессы. Повышенная способность организма к утилизации углеводов в первой половине дня проявляется в увеличении толерантности к нагрузке глюкозой.
Максимальная мобилизация липидов отмечается вечером и ночью.
Наибольшее содержание триглицеридов и холестерина в сыворотке крови наблюдается днем, а содержание в ней суммарной фракции липопротеидов низкой и очень низкой плотности – вечером.

день ночь утро

день ночь утро

Тиреотропин-
рилизинг-
фактор

Тиреотропный
гормон

Тиреоидные
гормоны

- синтез гормона

- секреция гормона , максимум в крови

определенных эндокринных и метаболических процессов.
I фаза - Восстановления, первая половина

сна.
1. Повышение секреции соматотропного гормона (СТГ), пролактина, тиреотропного гормона (ТТГ), лютеинизирующего гормона (ЛГ), т.е. гормонов с преимущественно анаболическим действием.
2. Одновременно увеличивается митотическая активность клеток, которым свойственно непрерывное самообновление.
3. В конце активного периода в печени накапливается гликоген, который расходуется во время сна.
4. Повышенная секреция СТГ во время медленно-волнового сна активизирует синтез белка в мозге и способствует формированию долговременной памяти.

второй половине сна и в начале периода бодрствования.
1. Увеличивается

секреция АКТГ и кортикостероидов. Активация гипоталамо-гипофизарной системы подавляет секрецию СТГ,ЛГ и ТТГ.
2. Снижается митотическая активность.
III фаза - Активности характеризуется высоким уровнем бодрствования.
1. Гормоны и нейромедиаторы стимулируют сердечную деятельность, улучшают процессы обучения.
2. Адреналин и норадреналин подавляют митотическую активность.

мелатонина, растет температура тела
6 час вырабатывается гормон надпочечников –кортизол- гормон

«пробуждения»
7-9ч –подъем, завтрак
9 ч – высокая работоспособность, быстрый счет, хорошо работает кратковременная память
9-11 ч –повышается иммунитет
12 – активность мозга снижается
15 –работает долговременная память. Время вспомнить и хорошо запомнить нужное.
16-подъем работоспособности
16-19-высокий уровень интеллектуальной активности.
19-хорошая реакция
20-21 полезна легкая физкультура. Пешие прогулки на свежем воздухе
22 –время сна
2 часа-у тех кто не спит, возможно состояние депрессии.
3-4 часа- самый глубокий сон.

отсчет с момента засыпания.

человека

Температура
тела

Уровень гормонов
в крови ...

Интенсивность
дыхания



Сон/бодрствование
…и

многое другое

температуры тела,
регулирует продолжительность и смену фаз сна.
Вырабатывается, по

большей части, эпифизом - в тёмное время суток (его производство уменьшается - при попадании на сетчатку глаз достаточно интенсивного света электрической лампы или естественного пламени огня).
Возможно его образование во многих органах: в сетчатке глаза, в печени, почках, надпочечниках, в лейкоцитах, в эндотелии желудочно-кишечного тракта и лёгких, в тимусе (вилочковой железе). 
Мелатонин - это антиоксидант, нейтрализующий свободные радикалы даже сильнее, чем витамин Е.
улучшает иммунитет,
препятствует росту раковых опухолей, имеет антитоксическое действие
замедляет процессы старения органов и тканей организма, способствует восстановлению и нормальной работе нервной системы человека.
Препарат "мелатонин" назначают от бессонницы (в качестве снотворного), при желудочно-кишечных заболеваниях и многих других. Получены обнадеживающие результаты по нивелированию влияния магнитных бурь на больных с сердечно-сосудистой патологией с помощью профилактического приёма мелатонина и регулирования циклов сна. 

время - после интенсивной физической нагрузки.
Снижение мелатонина происходит во

время магнитной бури.
Зимой, когда световой день короткий - этого гормона вырабатывается больше, чем в летнее время.  Эпифиз современного человека, вследствие искусственного освещения до позднего вечера и ночью, вырабатывает меньше мелатонина, чем было у людей до прошлого века. В итоге - массовая акселерация и диспропорции в развитии детей, раннее половое созревание, ожирение населения и т.д. 

3 группы:
1. адаптивные изменения функционального состояния организма, направленные на компенсацию

годичных колебаний окружающей среды – температуры, качественного и количественного состава пищи
2. реакции на сигнальные факторы среды - продолжительность светового дня, напряженность геомагнитного поля, некоторых химических компонентов пищи.
3. эндогенные механизмы сезонных ритмов. Действие этих механизмов носит адаптивный характер, обеспечивающий полноценное приспособление организма к сезонным изменениям параметров окружающей среды.

калорийность пищи возрастает в осенне-зимний период. Причем летом увеличивается потребление

углеводов, а зимой – жиров. Последнее приводит к возрастанию в крови общих липидов. Триглицеридов и свободных жиров. Существенное влияние оказывает витаминный состав пищи.
Интенсивность энергетического обмена больше в зимне-весенний период по сравнению с летом. А теплоотдача с поверхности кожи имеет обратную направленность. Устойчивость по отношению к тепловым нагрузкам возрастает летом и снижается зимой. Четкая сезонная периодичность характерна для интенсивности процессов роста. Максимальный прирост массы тела у детей наблюдается в летние месяцы.
Сезонные колебания в нейроэндокринной системе. Активность парасимпатического отдела ВНС максимальна в весенние месяцы.
Активность щитовидной железы увеличивается в зимние месяцы. Глюкокортикоидная функция надпочечников минимальна летом, а активность симпатоадреналовой системы имеет пик в зимние месяцы.

происходит увеличение выработки мелатонина эпифизом, который, в свою очередь, приводит

к угнетению гонадотропной функции гипоталамо-гипофизарной системы.
Функциональная активность сердечно-сосудистой системы выше в весенние месяцы. Это проявляется в более высоких показателях частоты сердечных сокращений, артериального давления, сократительной функции миокарда. Комплексные исследования кровообращения, дыхания и крови показывают. Что сезонные колебания характерны для кислородтранспортной системы организма и определяются, по-видимому, колебаниями интенсивности энергетического обмена.
Сезонные колебания интенсивности энергетического обмена и активности нейроэндокринной системы вызывают закономерные колебания в деятельности различных физиологических систем организма. Уровень физической работоспособности минимален зимой и максимален в конце лета – начале осени.

режима дня, злоупотреблении алкоголем, суточном графике работы, при перелёте через

несколько часовых поясов, переходе на летнее или зимнее время (переводе стрелок часов) и т.д.
Симптомы: расстройства сна, головные боли, тревожность, снижение внимания и др. Пожилым, больным и ослабленным людям, на адаптацию, требуется больше времени, чем молодым и здоровым. 

- придерживаться правильного режима дня (работы и отдыха),
быть ближе

к естественным, природным ритмам (в дневное время - светло, в ночное - темно)
Путешествие в горы, на высоты до километра - может принести пользу для здоровья, но если жить на уровне выше двух км - это будет вредно для бывшего равнинного жителя, особенно, больного астмой - вследствие горной болезни и отёка лёгких.   

которые существуют на некоторых производствах.
Определяет режим «сон-бодрствование», питания, двигательной активности,

использования профилактически принимаемых фармакологических препаратов.
Хронобиологический отбор людей по их пригодности к сменной и вахтовой работе.

организма, а также оптимизации благоприятных эффектов препаратов и минимизации потенциально

возможных побочных эффектов.
Например, при железодефицитной анемии у детей максимальное количество эритроцитов определяется в 6 часов, минимальное – в 18 ч; наиболее высокий уровень гемоглобина, ретикулоцитов и сывороточного железа отмечается также в 6 ч, наиболее низкий – ночью. Установлено, что в утренние часы резко снижена биосинтетическая активность эритроидных клеток костного мозга. В связи с этим железо плохо усваивается для образования гемоглобина и амплитуда его содержания в крови увеличивается. Вечером (в 21-24ч) концентрация сывороточного железа на 16-30% ниже, чем утром (в 8-12ч). Железо лучше всего всасывается и усваивается в вечерние часы, железо, абсорбируемое в первую половину дня, не утилизируется, а способствует развитию побочных эффектов. Препараты железа, применяемые для лечения железодефицитной анемии, должны назначаться только во второй половине дня, а мясо, из которого хорошо усваивается железо, - в первой.

не так давно обнаружили связь гормона ауксин (auxin) с биологическими

часами растений, что имеет важное значение для аграрного хозяйство. Теперь можно помочь растениям приспособиться к изменениям окружающей среды, например, повышенному содержанию углекислого газа в воздухе.
Профилактическая медицина в настоящее время также начинает учитывать динамику биоритмов. Так, например, отечественными врачами показано, что вакцинация детей против кори должна проводиться только в первой половине дня, т.к. во второй половине дня развиваются более выраженные прививочные реакции, нарушается суточный режим физиологических функций.

тамаринда (Tamarindus indicus) упоминает описывавший походы Александра Македонского Андростен.
В новое

время в 1729 году французский астроном де Мейрен сообщил о ежедневных движениях листьев у мимозы стыдливой (Mimosa pudica). Эти движения повторялись с определенной периодичностью даже если растения помещались в темноту, где отсутствовали такие внешние стимулы как свет, что позволило предположить эндогенное происхождение биологических ритмов, к которым были приурочены движения листьев растения. Де Мейрен предположил, что эти ритмы могут иметь что-то общее с чередованием сна и бодрствования у человека.
Декандоль в 1832 году определил, что период, с которыми растения мимозы совершают данные листовые движения, короче длины суток и составляет примерно 22-23 часа.
В 1880 году Чарльз Дарвин и его сын Фрэнсис сделали предположение о наследственной природе циркадных ритмов. Предположение о наследственной природе циркадных ритмов было подтверждено окончательно опытами, во время которых скрещивались растения фасоли, периоды циркадных ритмов которых различались. У гибридов длина периода отличалась от длины периода у обоих родителей. Эндогенная природа циркадных ритмов была окончательно подтверждена в 1984 году во время опытов с грибами вида Нейроспора густая (Neurospora crassa), проведенными в космосе. Эти опыты показали независимость околосуточных ритмов от геофизических сигналов, связанных с вращением земли вокруг своей оси.

(животные), менструальные циклы у женщин (человек).
Существует тесная зависимость между фазой

солнечного цикла и антропометрическими данными молодежи. В деятельности Солнца выявлены и более длительные периоды, охватывающие несколько столетий. Важное практическое значение имеет также исследование других многодневных (околомесячных, годовых и пр.) ритмов, датчиком времени для которых являются такие периодические изменения в природе, как смена сезонов, лунные циклы и др.
Лунные ритмы
Влияние (отражение) лунных ритмов на отлив и прилив морей и океанов. Соответствуют по циклу фазам Луны (29.53 суток) или лунным суткам (24.8 часов). Лунные ритмы хорошо заметны у морских растений и животных, наблюдаются при культивировании микроорганизмов.
Психологи отмечают изменения в поведении некоторых людей, связанные с фазами луны, в частности, известно, что в новолуние растёт число самоубийств, сердечных приступов и пр. Возможно, менструальный цикл связан с лунным циклом.
Ультрадианные ритмы
Ритмы длительностью меньше суток. Примеры: концентрация внимания, изменение болевой чувствительности, процессы выделения и секреции, цикличность фаз, чередующихся на протяжении 6-8-часового нормального сна у человека. В опытах на животных было установлено, что чувствительность к химическим и лучевым поражениям колеблется в течение суток очень заметно.

со сменой дня и ночи. Несмотря на связь с внешними

стимулами, циркадные ритмы имеют эндогенное происхождение, представляя, таким образом, «внутренние часы» организма. Циркадные ритмы присутствуют у таких организмов как цианобактерии, водоросли, грибы, растения, животные. Период циркадных ритмов обычно близок к 24 часам.

ночи и важны для адаптации растений к суточным колебаниям таких

параметров как температура, освещение, влажность.
В течение суток колеблются такие параметры как активность ферментов, интенсивность газообмена и фотосинтетическая активность.
В способности растений распознавать чередование дня и ночи играет роль фитохромная система.
Примером работы такой системы является ритм цветения у растения ‘’Pharbitis nil’’. Цветение у этого растения зависит от длины светового дня: если день короче определенного интервала, то растение цветет, если длиннее — вегетирует.
Еще один пример это ‘’Populus tremula’’.

2 — Вторая вспышка приходится на I фотофильную фазу, растение

цветет (цв.); 3—5 — Вторая вспышка приходится на скотофильную фазу, растение вегетирует (вег.); 6, 7 — вторая вспышка приходится на II фотофильную фазу, растение цветет; 8 — Схематическое изображение внутренних часов (эндогенного циркадного осциллятора); Hv — вспышки света; длительность темного времени показана штриховкой
Таким образом, фитохромная система важна для восприятия растениями чередования дня и ночи. «Сверяя» фитохромные сигналы с «внутренними ча­сами», растения «определяют» длительность дня и ночи (иногда с точностью до 10 минут!).

сон-бодрствование.









Циркадные ритмы и цикл сон-бодрствование у человека.

Периоды сна и бодрствования

у человека сменяются с циркадной периодичностью.
Одним из наиболее распространенных внешних сигналов является свет. У человека рецепторы, находящиеся в сетчатке, реагируют на свет и посылают сигнал в супрахиазмальное ядро. Дальнейшее распространение сигнала приводит к выработке гормонов регулирующих циркадную активность организма. Однако при этом такие органы как сердце, печень, почки имеют свои «внутренние часы» и могут выбиваться из ритма, устанавливаемого супрахиазматическим ядром. Сигнал, поступающий в шишковидную железу, вызывает синтез и выделение в кровоток вызывающего сон нейрогормона мелатонина.