Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Введение

Жизнь во всех ее проявлениях на Земле многогранна и разнообразна. Это и жизнь одноклеточного организма, и жизнь такого высокоразвитого существа, как человек. Однако, несмотря на резкие различия по форме проявления, она едина по своей сущности.

Жизнь - это непрерывный химический процесс образования и разрушения органических веществ в клетках, осуществляемый благодаря обмену веществ между организмом и внешней средой. Поэтому без внешней среды живой организм существовать не может. Поэтому в научное определение организма должна входить и среда, влияющая на него. В понятие внешней среды входит все, что окружает живые организмы, оказывает влияние на их состояние, жизнедеятельность, развитие и гибель.

Внешняя среда оказывает постоянное воздействие на живой организм, поэтому далеко не безразлична интенсивность этого воздействия. Существуют максимальные и минимальные границы, за пределами которых в живом организме могут возникнуть функциональные нарушения, иногда приводящие к гибели. В пределах этих границ имеются оптимальные условия. В качестве примера можно привести температурное воздействие на организм. Высокая или слишком низкая температура окружающей среды губительна для живого организма. Для человека, например, наиболее благоприятна температура в пределах от 18 до 22°С. Даже небольшой перегрев или охлаждение (на 5-10°С) будет отрицательно сказываться на общем состоянии.

Главный среди факторов влияния - свет. Он определяет периоды активности животных и растений, ритмичность их жизнедеятельности.

Повторяемость процессов - один из признаков жизни. При этом, важное значение имеет способность живых организмов чувствовать время. С ее помощью устанавливаются суточные, сезонные, годовые, лунные и приливно-отливные ритмы физиологических процессов. Как показали исследования, почти все жизненные процессы в живом организме ритмичны.

Ритмы физиологических процессов в организме имеют волнообразный характер. Расстояние между одинаковыми положениями двух колебаний называется периодом, или циклом. Каждый цикл обычно состоит из двух фаз: в одной из них процесс достигает максимума, в другой - минимума. Амплитуда определяет максимальное и минимальное отклонения от среднего значения. Спад волны соответствует ослаблению процесса, подъем - усиление. По длительности циклов биологические процессы, как правило, в какой-то степени совпадают с геофизическими циклами. Так, например, многие физиологические функции в организмах обусловлены суточной цикличностью внешних факторов среды, непосредственно связанных с суточной периодичностью вращения Земли. Исследования показали, что внутренние суточные ритмы растений и животных не точно соответствуют 24-часовой периодичности земных суток. Они немного отличаются в большую или меньшую сторону (чаще в меньшую). Так, для растений они лежат в пределах 23- 28 час., для животных -23-25 час. Такие внутренние суточные ритмы живых организмов называются циркадными (в переводе с латинского «цирка» означает около, «диес» -день, сутки).

Благодаря биологическим ритмам живой организм гораздо легче приспосабливается к условиям внешней среды, которые регулируют длительность циклов и отдельных их фаз. Такое действие внешних условий на живой организм принято называть синхронизирующим, а сами факторы воздействия - синхронизаторами. К их числу относятся свет, шум, запахи, время кормления и т. д. Синхронизация биологических ритмов с геофизическими ритмами природы имеет большое приспособительное значение.

2. Биологические ритмы и их классификация

Многие биологические ритмы поддаются систематизации. Как уже указывалось, по длительности некоторые из них могут совпадать с соответствующими геофизическими циклами. К таким «адаптивным» ритмам относятся суточные, сезонные, годовые, лунные, приливно-отливные изменения жизнедеятельности в организмах. Благодаря им, наибольшая активность и усиленный обмен веществ в организме совпадают с наиболее благоприятными для этого внешними условиями и временем суток, месяца, года. Функциональные ритмы, обеспечивающие непрерывную жизнедеятельность организма, как правило, имеют короткие циклы - от долей секунды до минут. К их числу относятся, например, циклы нервно-мышечного возбуждения и торможения, а также множество других процессов на уровнях молекул, клеток, отдельных органов.

По степени зависимости от внешних условий биологические ритмы подразделяются на экзогенные и эндогенные. Экзогенные ритмы полностью зависят от изменения внешней среды. Это биохимические процессы. Эндогенные ритмы протекают при постоянных оптимальных условиях внешней среды и имеют широкий диапазон частот: от двух тысяч циклов в секунду до одного цикла в год. К эндогенным относятся ритмы сердцебиения, пульса, дыхания, кровяного давления, умственной активности, изменения глубины сна и др.

Существуют ритмы промежуточного характера. К ним можно отнести, например, серию постепенно затухающих мышечных сокращений, возникающих в результате одиночного внешнего раздражения. Отличить эндогенные ритмы от экзогенных можно экспериментальным путем. Для этого проводят опыты при постоянных условиях внешней среды - температуре, освещении, влажности, атмосферном давлении и т. д. Важно отметить, что основной признак эндогенных ритмов состоит в том, что их периодичность близка к суточной, но несколько от нее отличается. Опыты по выявлению эндогенных ритмов проводились как на растениях, так и на животных (в том числе на человеке). Впервые эндогенные ритмы на растениях наблюдал более 200 лет назад французский астроном де Мэран. Примечательно то, что суточная периодичность движения листьев у растений была открыта не биологом, а астрономом. Изучая вращение Земли, он сделал открытие о приспособлении живых организмов к вращению Земли. В дальнейшем эти наблюдения де Мэрана подтвердили многие биологи. Были выяснены и причины суточной периодичности ряда физиологических процессов. Но все же началом науки о биологических ритмах - биоритмологии - принято считать открытие де Мэрана. За два столетия биоритмология сделала большие успехи.

Работы по изучению биологических ритмов проводились по трем направлениям. Прежде всего, изучались процессы и закономерности их проявления. Затем исследовалось расположение ведущих систем и органов, обусловливающих проявление ритмичности процессов в организме. Когда закономерности проявлений и локализация ритмических процессов в организме были изучены, начались исследования природы, физической и химической сущности механизма биоритмов.

В настоящее время первый этап изучения биологических ритмов завершен. Существование эндогенных биологических ритмов (их принято называть биологическими часами) вполне установлено. Ряд удивительных явлений в природе можно теперь объяснить способностью организма чувствовать время.

3. Биологические часы и их проявление в живой природе

Как показали многочисленные исследования различных ученых, растения и животные содержат в себе некий часовой механизм измерения времени - так называемые биологические часы. В чем проявляется действие этих часов, как они показывают время?

С древнейших времен человек наблюдал за периодическими изменениями у окружающих его живых организмов. Со времен Аристотеля (IV в. до н. э.) и до наших дней у исследователей не ослабевает интерес к удивительному и загадочному чувству времени. Некоторые факты, отмеченные исследователями, настолько поразительны и необычайны, что заставляют серьезно задуматься о природе их происхождения.

Человек с давних пор восхищался умением птиц находить дорогу к дому. Открытие способности птиц ориентироваться по Солнцу изумило исследователей. А то обстоятельство, что во время ночных полетов птицы ориентируются по звездам, буквально потрясло ученый мир. Изучение перелетов птиц позволило сделать важный вывод: многие птицы ежегодно совершают перелеты за сотни и тысячи километров по определенному маршруту. Если птицы сбиваются с пути или их специально удаляют от перелетных путей, то они все же самостоятельно находят дорогу к тем местам, через которые проходит их перелет в дальние края, и продолжают перелет по своему обычному маршруту. Немецкий ученый из Германии Г. Крамер в 1945 г. начал экспериментальное изучение способов ориентации птиц. Он обнаружил, что днем птицы ориентируются, сопоставляя положение Солнца со временем, которое показывают их биологические часы. Как доказали исследования, для такой ориентации по Солнцу точность хода их внутренних часов очень высока. Ошибка не превышает одной минуты. Наблюдения Крамера показали, что многие птицы (особенно мелкие) совершают ночные перелеты. Днем они вынуждены пополнять запасы энергии, израсходованные во время полета. Птицы совершают перелет в ночное время еще и потому, что ночью меньше отвлекающих факторов, и им легче преодолевать большие расстояния. Исследования дневных и ночных перелетов птиц Крамер проводил несколько необычным и оригинальным методом. Он помещал исследуемых птиц в круглую клетку со стеклянным верхом так, чтобы птицы могли видеть лишь участок неба, находящийся под углом зрения примерно 70°. Прозрачный пол клетки позволял наблюдателю следить за птицей. Важное условие в опытах Крамера было то, с какой стороны попадал свет в клетку. Оказалось, что направление полета птица определяла по Солнцу. Она знала, что для того, чтобы найти восток утром, надо двигаться по направлению к Солнцу, а в конце дня так, чтобы оно оставалось непосредственно сзади. В одном из своих экспериментов Крамер «остановил» Солнце, поместив источник света в течение всего дня с одной стороны клетки. И что же произошло? Птица «перепутала» все стороны света, приняв восток за запад в 6 час. утра и север за запад в полдень. Аналогичные опыты проводились в условиях искусственного ночного неба. В этих экспериментах было наглядно показано, что птицы во время перелетов хорошо ориентируются по звездам. Когда птице в планетарии показали весеннее небо, она повернулась на северо-восток, как это бывает в естественных условиях; под осенним небом - на юго-запад. Изменяя положение звезд на небосводе планетария, в котором была установлена клетка, можно было создавать у птицы впечатление ее постепенного перемещения на юг. Таким образом, птица, никогда не покидавшая своей клетки и ни разу не летавшая на юг, определяла направление перелета в южные страны. Понять, как птица определяет широту своего местоположения, вполне возможно. Она, подобно штурману, определяет высоту над горизонтом и направление на какую-то определенную звезду. Что же касается долготы, то определение ее штурман обычно производит путем сравнения местного времени, которое может быть определено, например, по восходу или заходу солнца, с показаниями точных часов - хронометра, идущего по гринвичскому времени. Надо полагать, что и у птицы есть точные внутренние часы, которые в отличие от хронометра штурмана показывают местное время того пункта, где она находится. Для подкрепления этой гипотезы немецкий ученый Ф. Зауэр провел эксперименты, в которых картина ночного неба менялась в соответствии с изменяемой долготой. Реагируя на изменение долготы, птицы определяли направление полета иначе, чем они это делали при изменении широты.

Не менее удивительно и загадочно поведение пчел. Свои наблюдения о ритмических танцах пчел, о их особом тонком чувстве времени, впервые опубликовал немецкий ученый К. Фриш еще в 1926 г. Он сделал важное открытие: танцы пчел позволяют им общаться между собой, являются их языком. Аналогичным образом общаются и муравьи.

Ритмические танцы пчел позволяют им сообщать друг другу о приближающейся опасности, указывать направление и расстояние до найденного источника корма. Чем медленнее исполняемый танец, тем дальше находится корм. Примечательно, что расстояние преуменьшалось при попутном ветре и преувеличивалось - при встречном. По-видимому, при определении расстояния пчелы учитывают мышечную работу. В своих сообщениях путем танца пчелы передают основную характеристику корма, точное его местоположение по отношению к Солнцу и расстояние. Нет сомнений, что такую информацию пчелы могут передавать, лишь имея внутренние биологические часы. Интересно отметить, что расположение Солнца в зените сбивает ориентировку пчел во времени и пространстве. Такой случай можно наблюдать лишь на экваторе, где Солнце бывает в зените. Не имея ориентировки во времени и пространстве, пчела в такой ситуации оставалась на месте. Пчелы обладают довольно высоко развитым чувством времени. По наблюдению многих исследователей, они в определенное время вылетают на поиски пищи и возвращаются в улей. Безусловно, без внутренних биологических часов они этого сделать не смогли бы.

Биологические часы есть и у растений. Их действие проявляется в периодических движениях листьев вслед за перемещением Солнца, во времени цветения и плодоношения, раскрывания и закрывания цветов, уровне фотосинтеза и т. д. У растений наиболее интересна суточная периодичность раскрывания цветов в утренние часы и закрывания в вечерние. Каждое растение «просыпается» в свое время. На рассвете открывает свои лепестки козлобородник. В 4 часа утра расправляет голубые цветки цикорий, а час спустя - мак, к 6 часам расцветает одуванчик, полевая гвоздика, к 7 часам - белая кувшинка, колокольчики, кульбаба копъелистная, огородный картофель и ястребинка зонтичная, в 8 часов утра вспыхивают яркие ноготки, бархатцы, вьюнки, к 10 часам - нежная кислица, и только к 11 часам раскрываются цветки торицы. Соблюдая строгую и точную очередность, растения также и «засыпают» в определенное время. В полдень начинает закрывать лепестки осот полевой, около 2 часов дня - картофель и одуванчик, в 3 часа исчезают цветущие венчики кульбабы копьелистной и мака, между 3 и 4 часами - торицы, к 4 часам складывают оранжевые лепестки ноготки, а в 5 часов - ястребинка зонтичная. В последующий час белая кувшинка смыкает свой венчик и уходит под воду. В это же время «засыпает» кислица и лютик. И, наконец, самыми последними, около 8 часов вечера, закрываются цветки шиповника. Существуют «ночные» цветы, раскрывающие лепестки ночью. Ровно в 8 часов вечера раскрывает свои яркие желтые лепестки энотера. Примерно в это же время распускаются цветы душистого табака, а после 9 часов - цветы горицвета. Учитывая такую интересную особенность пробуждения и засыпания различных растений, на садовой клумбе можно устроить живые часы. Для этого на клумбе рассаживают цветы в таком порядке, в каком они раскрываются и закрываются. По этим живым часам можно довольно точно определить время суток.

Интересно понаблюдать за тем, когда начинают пробуждаться и петь различные птицы. Начало ночи возвещают петухи, они поют первый раз в полночь, второй раз - до зари, около 2 часа ночи. В это же время пробуждается соловей и жаворонок. В 3-му часу ночи оживляются перепела, полевые жаворонки, затем - кукушка, иволга, крапивник. Придерживаясь своего внутреннего расписания, в 4 часа с гнезд слетают скворцы, трясогузки, зеленушки, к 6 часов утра просыпаются воробьи.

Биологические часы определяют суточную периодичность жизнедеятельности у многих животных. Она наиболее выражена в смене фаз двигательной активности и относительного покоя. Период активности в суточном ритме включает в основном короткие движения (бег, перелеты, порхание и т. д.) и более длительный относительный покой. Так, например, у некоторых хищников (щук, пауков, кошачьих) развилась способность к «оперативному покою», в котором они находятся, подкарауливая свою жертву. В состоянии покоя животные обычно находятся без движений, однако некоторые из них ненадолго пробуждаются (обезьяны гамадрилы просыпаются ночью на 30 мин. через каждые 2- З часа). Активность животных может приходиться на различное время суток (на дневное, ночное и на сумерки). Среди животных, активных в дневное время, наиболее типичные представители - куры, домашние свиньи, а также многие виды ящериц. На дневные часы у них приходится 80-90% двигательной активности. Наиболее характерные представители животного мира, у которых преобладает активность в ночное время,- летучие мыши, совы, черные хорьки, травяные лягушки, некоторые виды змей. Приблизительно одинаковую активность в дневное и ночное время имеют степной хорек, некоторые виды полевок, степная пеструшка, стерлядь, балтийский лосось.

При однократном чередовании фаз активности и покоя ритм называют монофазным, при многократном - полифазным. Как известно, человек спит один раз в сутки - ночью. Он имеет монофазный ритм чередования активности и покоя. Полифазный ритм наблюдается у домашней свиньи. У нее 14 фаз сна за сутки. Количество фаз активности и покоя у многих животных в зависимости от индивидуального развития и времен года может изменяться, при этом возможно смещение их положения в течение суток. Так, например, полевки в летнее время активны ночью, а в зимнее - днем. Весной и осенью у них на протяжении суток происходит чередование нескольких фаз активности и покоя. С наступлением зимы снижается активность в дневное время у желтогорлой мыши.

При соблюдении постоянства внешней среды (освещенности, температуры, влажности и т. д.) время наибольшей активности и покоя остается неизменным на протяжении длительного периода времени.

Биологические часы обнаружены почти у всех живых организмов, начиная с одноклеточных и кончая самыми высокоорганизованными - животными и человеком. Однако у человека действие биологических часов зависит от многих факторов, и их экспериментальное изучение более сложное и трудоемкое. В связи с этим процессы, свидетельствующие о существовании биологических часов, сначала изучаются на животных, а затем уже на человеке.

4. Проявления биологических часов в человеческом организме

Один из крупнейших ученых в области изучения биологических часов, американский биолог Ю. Ашофф, отмечал, что в организме человека нет ни одного органа и ни одной функции, которые не обнаруживали бы суточной ритмичности. Установлено, что в организме человека имеется свыше 100 биологических ритмов, отражающих различные физиологические процессы. Это суточные ритмы сна и бодрствования, изменения температуры тела, работы сердечно-сосудистой системы, состава крови и т. д.

Изучение биологических ритмов организма человека - сложная задача, так как для этого необходимо полностью исключить влияние всех внешних факторов (особенно шумов), мешающих ходу внутренних часов человека. Необходимо также располагать совершенными методами исследований и современной аппаратурой для регистрации изменений температуры тела, сердечно-сосудистой системы, циклов сна и бодрствования и т. д. Первоначальные исследования были несовершенны и достаточно примитивны. Несмотря на это, они позволили выявить ход внутренних биологических часов человека при осуществлении различных физиологических функций. Так, например, изучение цикла «сон - бодрствование» исследователи проводили в пещерах. Первые эксперименты они выполнили на себе. Находясь в изоляции от внешнего мира, в полной темноте и тишине, они наблюдали за суточными изменениями различных физиологических функций. Первоочередной задачей ученых было изучение природы внутренних часов человека.

Известно, что человек обладает хорошо развитым чувством времени. Он может утром проснуться в определенное время, твердо решив это сделать еще с вечера. Все это мы неоднократно испытали на себе. Биологические часы напоминают о времени сна и о наступлении часа обеда, дают о себе знать в момент подъема и спада работоспособности в различное время суток.

Для подтверждения существования внутренних биологических часов у человека был проведен ряд научных экспериментов. Одним из первых такие научные эксперименты выполнил Ашофф. Сущность экспериментов состояла в том, что испытуемые (студенты) находились в помещении, изолированном от окружающего мира. Им были предоставлены удобная комната, совмещающая гостиную и спальню, душевая и маленькая кухня для приготовления еды. Испытуемые вели нормальный образ жизни, с обычным для них распорядком дня. Все отличие от привычной жизни заключалось в незнании времени суток. Испытуемые находились в полной изоляции от внешнего мира на протяжении трех-четырех недель. Они вели нормальную «размеренную» жизнь. За испытуемыми велись различные физиологические наблюдения: непрерывно регистрировалась температура тела, записывался характер активности движения во время сна и т. д. Испытуемые проводили психологические опыты. Каждый участник эксперимента проверял чувство времени, пытаясь определить промежутки времени. Свет он гасил сам, когда ложился спать, и зажигал его, когда просыпался и вставал. Однако интенсивность освещения регулировалась извне с тем, чтобы определить, каким образом она влияет на внутренние биологические часы испытуемого. Температуру же внутри помещения каждый испытуемый регулировал сам, так как ее изменение в небольших пределах не должно было сказаться на результатах эксперимента. Регистрация физиологических функций и состояния испытуемого во время эксперимента позволила выявить у него четко выраженные циркадные (суточные) ритмы. Эти ритмы не всегда совпадали по фазе, но в среднем длительность периода составляла не 24 часа, а 25 часов. Таким образом, внутренние часы человека отставали на 1 час в сутки. В экспериментах по наблюдению за длительностью суточной периодичности функций человека установлено, что их течение ускоряется при яркой освещенности и уменьшается при слабой. При ярком солнечном свете человек более работоспособен, поэтому сутки внутренних часов его значительно укорачиваются. Устойчивость суточного ритма человека при постоянной внешней среде подтвердил французский спелеолог М. Сиффре. Он установил своеобразный рекорд пребывания под землей, проведя в пещере в полном одиночестве и темноте 205 дней.

5. Распределение некоторых физиологических функций в суточном цикле человека

Суточный ритм организма человека определяется различными физиологическими функциями (а их, как мы знаем, в настоящее время насчитывается более сотни). Физиологические функции постоянно изменяются на фоне бодрствования и сна, активной деятельности и покоя. Интенсивность их проявления различна в разное время суток. В одно время она максимальна, в другое - имеет минимальное значение.

Распределение некоторых физиологических функций в суточном цикле человека

Работоспособность, температура тела, частота пульса и дыхания, давление крови минимальны в 1-4 час., максимальны в 9-14 час. и в 16-20 час.

Физиологическая активность минимальна в 2-5 час., максимальна в 12-19,5 час.

Содержание адреналина в крови максимально в 6-9 час.

Почти все функции организма связаны с расходованием энергии. В связи с этим физиологический ритм организма отражает уровень обмена веществ. Суточный ритм интенсивности обмена веществ, определяемый по характеру изменения температуры тела и дыхания, может быть обнаружен у людей, находящихся длительное время в покое или при малоподвижном образе жизни.

Еще в 1889 г. французский ученый Р. Рише дал физиологическое истолкование биологических ритмов. По его мнению, основной причиной суточных колебаний физиологических функций в организме человека являются периодические изменения возбудимости нервной системы, угнетающей или стимулирующей обмен веществ. В результате изменения обмена веществ и возникают изменения различных физиологических функций.

Как показали экспериментальные исследования, для суточной периодичности физиологических процессов характерно постепенное повышение интенсивности в дневное время и уменьшение ночью. Так, например, частота дыхания днем выше, чем ночью. В ночное время понижена функция пищеварительного аппарата. Экспериментально установлено, что суточная динамика температуры тела имеет волнообразный характер. Примерно к 18 час. температура достигает максимума, а к полуночи снижается: минимальное ее значение между часом ночи и 5 час. утра. Таким образом, температура тела днем и ночью отличается на 0,6-1,3°С. Интересно, что интенсивность физиологических процессов ночью изменяется по сравнению с дневным временем независимо от того, спит человек в ночное время или занимается напряженной работой. Работоспособность органов кровообращения в различное время суток тоже неодинакова: два раза в сутки (в 13 час. и в 21 час.) она резко снижается. Принимая во внимание то обстоятельство, что работоспособность сердечной мышцы в определенное время суток уменьшается, нецелесообразно в эти часы подвергать человека большим физическим нагрузкам, действию высоких температур, ускорений, кислородной недостаточности и т. д. Суточная периодичность работы сердца проявляется в изменении числа сердечных сокращений в различное время суток. Так, во время сна сердце бьется медленнее, уменьшается его минутный объем, понижается давление артериальной и венозной крови. Наибольшее число сердечных сокращений приходится на 18 час. В это же время наблюдаются более высокие показатели максимального и минимального кровяного давления. Примерно к 4 час. утра отмечена наименьшая частота пульса. К 9 час. утра снижается до минимума кровяное давление. Капилляры кровеносных сосудов максимально расширены в 18 час. и наиболее сужены к 2 час. ночи. Происходит изменение и внутриглазного давления. Утром оно повышается, а к вечеру падает. Кровь вместе с лимфой и тканевой жидкостью, окружающей клетки, является внутренней средой организма. Она достаточно полно отражает многие физиологические процессы, происходящие в организме человека. Поэтому наблюдение суточной периодичности физиологических функций можно производить, изучая деятельность кроветворных органов и состав крови. Костный мозг наиболее активен ранним утром (в 4- 5 час.), а селезенка и лимфатические узлы - в 17-20 час. В утреннее время в кровоток поступает наибольшее число молодых эритроцитов. Самое высокое содержание гемоглобина в крови можно наблюдать от 16 до 18 час. Максимальное количество сахара в крови приходится на 9-10 час. утра, а минимальное - на ночное время. Отмечен четко выраженный суточный ритм процентного содержания в крови форменных элементов - эозинофилов. В ночное время содержание хлора в крови снижается, а в полночь достигает минимума. Уже с вечера в крови начинает уменьшаться количество белков и увеличиваться содержание серы. Максимум азота отмечен в крови примерно в 16 час., а минимум - в 20 час. Суточный ритм проявляется в изменении содержания в крови натрия, калия, кальция и фосфора. С суточной цикличностью кровообращения имеет непосредственную связь периодичность работы желез внутренней секреции. Отмечена четкая суточная периодичность содержания адреналина в крови. Максимальное его количество в 9 час. утра, минимальное - в 18 час. Адреналин учащает пульс, повышает артериальное давление, активирует весь организм. Накопление адреналина в крови происходит еще до начала активной деятельности, что способствует заблаговременному подготовлению к деятельности всего организма. В организме постоянно происходит самообновление клеток. Причем скорость их деления ритмически изменяется на протяжении суток. В течение суток в кроветворных органах изменяется количество форменных элементов. Наибольшее количество делений клеток роговицы глаза приходится на утреннее время и наименьшее - на ночное. На протяжении суток периодически изменяется количество делений клеток в костном мозгу.

Можно было бы привести множество других примеров изменения физиологических функций в организме человека на протяжении суток. Однако из перечисленных примеров достаточно, чтобы понять, что суточным ритмом охвачен весь организм человека, представляющий собой единую систему взаимодействия всех органов, тканей и клеток.

Ритмичность физиологических процессов, отражающая единство организма и среды, их взаимодействие, проявляется в организме человека в том, что их максимумы и минимумы приурочены к определенным часам суток. А объясняется это тем, что характер проявления физиологических реакций организма в разное время суток различен и в основном зависит от факторов внешней среды. Они-то в дальнейшем и приобретают сигнальное значение в процессе индивидуальной жизни человека. Благодаря приспособлению к ритмически изменяющимся условиям внешней среды в организме человека происходит физиологическая подготовка к активной деятельности даже тогда, когда организм находится в состоянии сна. И, наоборот, организм человека готовится ко сну задолго до засыпания.

6. Изменение работоспособности у человека на протяжении суточного и сезонного циклов

Большинство людей в течение суток имеет два пика повышенной работоспособности. Первый подъем наблюдается утром с 8 до 12 час., второй вечером - между 17 и 19 час. В это время человек становится наиболее «сильным», у него повышается острота органов чувств: в утренние часы он лучше слышит и лучше различает цвета. Наиболее «слабым» человек оказывается в 2-5 час. и в 13-15 час.

Исходя из сказанного, возможно, следовало бы самую трудную и ответственную работу выполнять в периоды естественного подъема работоспособности, оставляя для других, менее важных дел, остальное время относительно низкой работоспособности. Но из правил есть исключения. Бывают случаи, когда время наибольшей продуктивности в труде (особенно это относится к умственному труду) приходится на ночные или вечерние часы. Таких людей принято называть «совами», в отличие от «жаворонков» - людей, имеющих наибольшую работоспособность в утренние и дневные часы. «Жаворонки», как правило, просыпаются рано, чувствуют себя бодрыми и работоспособными в первой половине дня. Вечером же у них появляется сонливость, и они рано ложатся спать. «Совы» засыпают поздно ночью, встают также поздно утром и работоспособны бывают во второй половине дня. В результате экспериментальных исследований немецкий физиолог Р. Хампп установил, что 1/6 часть людей относится к лицам утреннего типа, 1/3- вечернего типа, а половина людей легко приспосабливается и к утреннему, и к вечернему режиму труда. Последних называют «аритмиками». Это преимущественно люди, занятые физическим трудом. К лицам вечернего типа в основном относятся работники умственного труда.

Биологические часы человека отражают не только суточные природные ритмы, но и имеющие большую продолжительность, например сезонные. Сезонные изменения физиологических процессов подтверждаются многочисленными исследованиями ученых. Они проявляются в организме человека в повышении обмена веществ весной и в снижении его осенью и зимой, в увеличении процента гемоглобина в крови и в изменении возбудимости дыхательного центра в весеннее и летнее время. Сезонная изменчивость физиологических процессов, наблюдаемая на протяжении года, по своему характеру напоминает суточную периодичность. Состояние организма в летнее и зимнее время в какой-то степени соответствует его состоянию днем и ночью. Так, зимой по сравнению с летом снижалось в крови содержание сахара (аналогичное явление происходит и ночью), увеличивалось количество аденозитрифосфорной кислоты и холестерина.

В организме человека биологические часы проявляются и в регулировании функционального состояния человека с околомесячной периодичностью. С давних пор было замечено, что в различные дни месяца люди чувствуют себя неодинаково. В некоторые дни у них прилив сил и бодрости, хорошее настроение, они внимательны и работоспособны. В другие же - наоборот, упадок сил, вялость, рассеянность - все валится из рук. В данном случае необходимо принимать меры предосторожности. В такие «плохие» дни не следует планировать важных дел. Японская транспортная фирма «Оми рэйлвей компани» призывает водителей автобусов быть особенно внимательными в их «плохие» дни. Водители, получившие такое предупреждение, стараются быть предельно осторожными на опасных и напряженных участках маршрута. С 1969 г., когда фирма начала применять эту систему, число дорожных происшествий значительно снизилось. В первый же год оно уменьшилось сразу вдвое. Эта гипотеза используется не только японской фирмой «Оми рэйлвей компани», но и многими другими фирмами и учреждениями как в нашей стране, так и за рубежом. Она опирается на некоторые факты и в принципе не противоречит основам наших знаний.7. Местоположение биологических часов в живых организмах. Природа и механизм их работы

Как показали исследования ряда ученых, биологические часы существуют в каждой клетке живого организма. В качестве доказательства приводятся факты, свидетельствующие о наличии суточной периодичности у одноклеточных водорослей.

Отсутствие же биологических часов у некоторых одноклеточных организмов ученые объясняют особенностями строения клетки. Они считают, что биологические часы свойственны тем клеткам, у которых ядро четко отграничено от цитоплазмы специальной мембраной. Такие клетки имеют две мембраны - наружную клеточную (оболочку) и внутреннюю ядерную. Их иногда называют «двухоболочечными» клетками. В отличие от них существуют «однооболочечные» организмы, у которых суточные ритмы не обнаружены. К их числу относятся различные бактерии, не имеющие четко отграниченного ядра. Наличие биологических часов в каждой клетке живого организма в настоящее время не вызывает сомнений. Не выяснен пока вопрос, каким образом взаимодействуют биологические часы всех клеток организма как целостной системы. Не до конца решены вопросы о том, что управляет ходом биологических часов всего организма.

На основании проведенных исследований ученые считают, что в многоклеточных живых организмах существует иерархия ритмов, при этом биологические часы отдельных клеток синхронизируются с суточными ритмами «ведущих клеток». В настоящее время основная задача ученых - обнаружить клетки, управляющие ритмом всего организма.

Замечательные работы провела в этом направления английская исследовательница Ж. Харкер еще в 1960 г. В тонких и остроумных опытах она определила у тараканов центры, управляющие их биологическими часами. Харкер выбрала таракана в качестве объекта своих исследований потому, что у него четко выраженная суточная двигательная активность, которая сохраняется при нарушении условий освещения в течение нескольких дней. Кроме того, таракан легко переносит лабораторные условия, неприхотлив в еде (может питаться чем угодно) и отдельные части его относительно слабо развитой центральной нервной системы имеют хорошо выраженную автономию. Так, обезглавленный таракан может прожить несколько дней, бегая и расходуя имеющиеся в нем запасы энергии. Смысл экспериментов Харкер заключался в том, чтобы выявить орган таракана, из которого поступает в кровь вещество, стимулирующее суточную двигательную активность. Она последовательно удаляла один за другим все эндокринные органы, проверяя при этом действие биологических часов таракана. В результате напряженной работы Харкер удалось обнаружить у таракана орган, от которого зависело возникновение суточной периодичности движений. Им оказался подглоточный ганглий, расположенный под пищеводом таракана. Размер этого органа очень мал, поэтому удалить его можно было только под микроскопом. Харкер потратила почти три года на прижигание мельчайших участков подглоточного ганглия, пока она не нашла четыре нейро-секреторные клетки, играющие важную роль в поддержании ритма двигательной активности. Пересаживая эти клетки в кровоток других тараканов, она смогла убедиться в том, что именно данные клетки ответственны за выделение гормона в определенные промежутки времени. Зная, где находятся биологические часы у таракана, исследовательница продолжала выяснять, что заставляет их работать, каков механизм, регулирующий ход ритма.

Один из способов, позволяющий узнать, как работает механизм,- разладить его деятельность. В данном случае необходимо было найти физиологический способ нарушения хода биологических часов. Харкер нашла такой способ. Она подвергла таракана одновременному воздействию двух биологических часов, не совпадающих друг с другом по времени. Эксперимент был длительным и состоял из трех этапов. На первом этапе исследований к таракану с разлаженным суточным ритмом был прикреплен другой таракан, имеющий нормальный суточный ритм. Связь между ними осуществлялась через кровоток. В этом случае таракану был навязан суточный ритм партнера. На втором этапе исследований была проведена пересадка подглоточного ганглия обезглавленному таракану от нормального таракана. В проведенном эксперименте у обезглавленного таракана появился нормальный ритм, который сохранялся в течение нескольких дней. Третий этап исследований состоял в пересадке таракану с кембриджским временем «часовых» клеток таракана с новозеландским временем. В результате такого эксперимента у кембриджского таракана был разлажен ход биологических часов, после чего в его кишечнике развилась опухоль, и он погиб. Таким образом, Харкер в своих экспериментах не только определила местоположение биологических часов у таракана, но и показала, что происходит с ним при сбившемся ритме биологических часов. Ни у одного другого вида животного, кроме таракана, местоположение биологических часов пока не обнаружено, хотя ученые, работающие с млекопитающими, уже вплотную подошли к решению этой задачи.

В настоящее время учеными установлено, что растения не имеют центральных механизмов, управляющих всеми суточными ритмами. Это было показано на простых экспериментах, в которых путем изменения освещения у двух соседних листьев создавались различные ритмы. Что же касается высших позвоночных животных и человека, то у них поиски центров управления биологическими часами продолжаются.

Наблюдения ученых показали, что ритмические процессы в живых организмах имеют много общих черт. Это обстоятельство навело на мысль о том, что в основе всех процессов лежит единый внутриклеточный механизм часов. Он управляет всеми биологическими часами, присутствующими как в простых одноклеточных, так и в сложных высокоорганизованных живых организмах.

Живому организму необходимо измерять промежутки времени самой различной продолжительности и для разных целей. Короткие (в тысячные доли секунды) периоды колебаний, возникающие на клеточном уровне, трансформируются в более длинные суточные ритмы отдельных органов и систем организма. В связи с этим механизм биологических часов можно сравнить с механизмом обычных часов. Подобно им, биологические часы имеют механизм деления частоты - аналог зубчатых колес в часовом механизме. Точность хода механических часов обусловлена стабильностью частоты быстрых колебаний маятника. Пока часовая стрелка завершает суточный цикл, маятник часов осуществляет множество колебаний. В биологических же часах, по аналогии с механическими, суточный цикл каких-либо физиологических функций осуществляется множеством элементарных внутриклеточных колебаний.

У животных, растений и даже у самых примитивных одноклеточных организмов существует способ измерения времени, основанный на циклических процессах в организме. Этот способ позволяет осуществить измерения времени в организме на протяжении длительного промежутка - до того момента, пока не появится фактор, способствующий определению времени в новом цикле. Таким образом, стало очевидным, что в основе измерения времени лежат не одиночные, а цепные процессы и что принцип их работы тот же, что и у маятниковых часов.

При изучении природы биологических часов важно было выяснить механизм возникновения первичных периодических процессов, определяющих ход внутриклеточных часов. Ученые проводили исследования в различных направлениях, и результаты вызывали самые различные (в том числе и противоречивые) выводы. Таким образом, механизм работы внутриклеточных часов имеет биофизическую природу, для которой характерна независимость процессов от температуры, и не противоречит мысли о биохимической природе часов. Биохимическая природа биологических часов подтверждается тем, что работа биологических часов внутри клетки основана на чередовании напряжения и расслабления, т. е. на релаксационных колебаниях. Этими колебаниями управляет химическая энергия, от которой зависит фаза напряжения. Вследствие недостаточного снабжения клетки энергией, процесс напряжения не достигает максимума, в связи с чем, система не может удержаться на низком уровне и вновь возвращается в расслабленное состояние.

Периодические колебания биологических часов исследователи объясняют взаимной регуляцией внутриклеточных систем. Предположим, что одна из систем вырабатывает какое-то вещество тогда, когда его содержание падает ниже определенного критического уровня.. Тогда другая система разрушает это вещество, когда его содержание превысит верхний критический предел. В результате получится типичная гомеостатическая система по отношению к данному веществу.

Математическое и физическое моделирование механизма работы биологических часов проводили и другие исследователи - К. Клоттер, Р. Вевер, О. Шмит, X. Калмус, Л. Уигглосуорс, Ч. Эрет и Дж. Барлоу. Все гипотезы о природе и механизме работы биологических часов пока еще не дают исчерпывающего объяснения, а сама проблема познания природы часов живых организмов далека от полного экспериментального завершения.

Многие заболевания человека можно рассматривать с точки зрения изменений, связанных с перестройкой цикличности физиологических функций его организма, например работы сердца, дыхания и т. д. Изменения ритма, как отдельных органов, так и всего организма в целом могут носить временный характер. В таком случае говорят, что организм имеет функциональные расстройства (это, прежде всего, относится к центральной нервной системе человека). К функциональным расстройствам в организме человека относится десинхроноз, возникающий в результате перелета человека через меридианы в восточном или западном направлении. К ним можно отнести и функциональные расстройства центральной нервной системы, возникающие при переутомлении, эмоциональных стрессах, систематическом нарушении режима труда и отдыха. Функциональные расстройства могут привести к временной бессоннице, к ослаблению и вялости всего организма, к повышенной возбудимости и нервозности. Однако стоит человеку войти в привычный нормальный ритм жизни, как нарушенная ритмичность функций организма восстанавливается. Иное дело - заболевания, связанные с патологическими, необратимыми изменениями в организме человека. В этом случае нарушенный ритм работы отдельных органов не восстанавливается.

В организме человека при функциональных изменениях происходит саморегулирование биологических ритмов. В связи с этим возникает вопрос, нельзя ли производить преднамеренное регулирование отдельных органов и систем организма, изменяя длительность их циклов в нужном направлении? Можно ли изменить суточную периодичность физиологических функций в организме человека?

биологические часы ритм человек

8. Возможности управления биологическими часами

Для познания природы и механизма работы биологических часов в живых организмах необходимо знать, насколько устойчив ход биологических часов при искусственном изменении внешних факторов воздействия (например, при чередовании света и темноты).

Вначале исследования проводились на растениях. Было установлено, что в условиях непрерывного освещения ярким светом многие биологические ритмы постепенно исчезают. Немецкий исследователь Э. Бюннинг еще в 1931 г. показал это на примере суточного движения листьев фасоли. Листья растения, привыкшего к нормальному чередованию дня и ночи, в непрерывной темноте сохраняли свое суточное движение. Однако в условиях непрерывного яркого освещения листья переставали двигаться. Такие же результаты дали наблюдения и над различными ритмами других организмов. Что же является причиной исчезновения видимого суточного ритма у растения при непрерывном ярком освещении - потеря синхронности в работе клеток или же потеря ритма каждой клеткой в отдельности? Растения не имеют центра управления их биологическими ритмами, поэтому каждому листу путем навязывания новых световых и теневых периодов можно придать свой ритм движения, независимый от движения других листьев. Восстановить их прежний синхронный ритм можно при помощи одиночного воздействия сильным светом. Полное восстановление наступает обычно через 17 час. после воздействия светом. В этот момент ритм движения листьев наиболее выражен. Внешне он проявляется в максимальном опускании листьев. Это будет повторяться ровно через сутки, а затем через двое суток. Растение как бы «запоминает» наибольшую реакцию на свет. Опыты показали, что эффект управления биологическими ритмами растения зависит от разницы в освещенности во время световой и теневой фазы воздействия. Наибольший результат достигается, если в теневой фазе полная темнота, а в световой - яркий свет (освещенность в 200 лк). Изучение управления ритмами растений проводилось не только при помощи световых воздействий, но и при изменении температуры окружающей среды. С этой целью растения выращивались при постоянной температуре и естественном ритме света и темноты, после чего их содержали при различных температурах. Было установлено, что с повышением температуры биологические часы растений начинали спешить. Это выражалось в уменьшении длительности циклов. Так, при 20°С цикл был равен 27 час., при 25°С - 23,7, при 30°С - 22 и при 35°С - 19 час. Однако растения обладают хорошей способностью приспосабливать свои внутренние часы к изменениям температуры, если они содержатся при различных температурах достаточно длительный период времени. Например, 28-часовой суточный ритм движения листьев растений сохраняется при 20, 25 и 30°С. Такое приспосабливание биологических часов растений к различным температурам окружающей среды объясняется процессами саморегулирования. Рассматривая принципы управления биологическими ритмами у растений, можно понять некоторые общие закономерности управления ритмическими процессами у живых организмов.

Продолжением исследований было изучение суточных ритмов у животных при воздействии светом, звуком, изменением температуры. Наиболее значительными в этом направлении были работы американской исследовательницы П. Де Курси. В качестве объекта для своих исследований она выбрала белку-летягу. Выбор был не случаен. Белки-летяги, как и многие другие ночные животные, начинали активную жизнь с заходом Солнца и прекращали ее с рассветом, ежедневно возвращаясь в гнездо. Сначала изучение закономерностей суточной активности белок-летяг проводилось в естественных условиях. Исследование воздействия искусственно измененных внешних условий проходило в специально отведенном для этого помещении. Каждая клетка соединялась с автоматическим регистрирующим устройством, фиксирующим все движения белки. Полученные графики позволяли определить точное время начала двигательной активности белки. Как показал анализ результатов исследований, активность белок закономерно изменялась с течением времени. Было отмечено возрастание активности с наступлением сумерек и уменьшение - с рассветом. В опытах на белках-летягах исследовательница обнаружила, что в полной непрерывной темноте у белки сохранялся суточный ритм активности. Несмотря на индивидуальные различия, суточный цикл каждого животного имел высокую стабильность. Продолжая опыты, Де Курси выясняла воздействие искусственных циклов на естественный суточный цикл. Для этого она использовала в своих опытах белок-летяг с естественным суточным циклом. Предварительно белки помещались на несколько дней в постоянную темноту: у животных с естественным суточным циклом меньше 24 час. начало активности все время сдвигалось вперед, т. е. биологические часы этих животных спешили. У белок с естественным суточным циклом больше 24 час. биологические часы все время отставали. После темноты давалось 24-часовое воздействие с равными световым и теневым периодами. Это воздействие привело к перестройке свободнотекущего ритма. У белок с меньшим суточным циклом начало активности стало сдвигаться в сторону запаздывания до тех пор, пока не достигло постоянного значения на протяжении всего чередования света и темноты. У белок с суточным циклом больше 24 час., усвоивших новый цикл чередования света и темноты, начало активности стало наступать раньше. В дальнейшем, завершая эксперимент, исследовательница вновь возвратила белок в условия постоянной темноты. В результате у всех животных восстановились естественные циклы. Следующую серию экспериментов Де Курси провела с использованием кратковременных вспышек света. В определенный момент один раз в сутки на 10 мин. включался свет (слабая лампочка), фиксировалось начало активности белки. Полученный результат сравнивался с ожидаемым по расчету. Различие между ожидаемым и действительным временем начала активности белки показывало сдвиг фазы. Оказалось, что кратковременный свет сдвигает начало активности белки лишь в определенный промежуток времени свободнотекущего цикла. В остальные промежутки времени сдвиг начала активности не наблюдался. Эксперименты на белках-летягах помогли понять механизм перестройки периода активности у животных, живущих на воле. Перестройка циклов происходит в результате синхронизации их внутренних, биологических часов с внешними световыми циклами. Дальнейшие эксперименты по изменению суточного цикла белки не дали результатов: ни температура, ни звук не оказывали воздействия на начало ее активности. Аналогичные исследования изменения суточного цикла при световых воздействиях проводились учеными и на других животных.

Интересные исследования провел Ю. Ашофф по определению зависимости длительности периода активности от интенсивности освещения. Многочисленные эксперименты позволили ему создать гипотезу, известную под названием «правило Ашоффа». Согласно гипотезе, с увеличением интенсивности постоянного освещения длительность активности дневных животных сокращается, а ночных - увеличивается. В связи с этим для всех дневных животных естественный суточный цикл имеет больший период при слабом освещении и меньший - при ярком. В своих экспериментах на зябликах Ашофф показал, что «стрелки» внутренних часов зяблика удается переводить, изменяя режим освещения: их ход можно ускорять или замедлять по желанию экспериментатора. Ашофф решил проверить возможность применения своего «правила» на человеке. Для этого он попытался изменить суточный цикл сна и бодрствования у человека. Эксперимент проводился в пещеры. Двое испытуемых - закрылись в пещере, полностью изолировали себя от окружающего мира. Слабый свет в течение 19-часового периода активного состояния позволил перевести внутренние часы у студента на 28-часовой цикл. Период перестройки его суточного цикла занял две недели. У преподавателя за две недели так и не удалось перестроить суточный цикл (вероятно, это объясняется тем, что он был старше на 20 лет).