Біологічні ритми здоров'я

Биологические ритми здоровья

Доктор медичних наук в. Гриневич.

Все живі істоти на Землі - від рослин до вищих ссавців — підпорядковуються добовим ритмам. У людини у залежність від часу діб циклічно змінюються фізіологічне стан, інтелектуальні можливості і навіть настрій. Вчені довели, що винний у цьому коливання концентрацій гормонів у крові. Останніми роками у науці про біоритмах, хронобіології було зроблено багато, аби з’ясувати механізм виникнення добових гормональних циклів. Вчені знайшли у головному мозку «циркадный центр », а ньому — звані «годинникові гени «біологічних ритмів здоров’я.

Хронобиология — наука про добових ритмах організму

В 1632 року англійський натураліст Джон Врен у своїй «Трактаті про травах «(«Herbal Treatise ») вперше описав денні цикли тканинних рідин в людини, що він, слідуючи терминоло гії Аристотеля, назвав «гуморы «(латів. humor — рідина). Кожен із «припливів «тканинної рідини, на думку Врена, тривав шосту. Гуморальний цикл починався о дев’ятій годині вечора виділенням першої гуморы жовчі - «сhole «(грецьк. cholе — жовч) і тривав близько трьох ранку. Потім наступала фаза чорної жовчі - «melancholy «(грецьк. melas — чорний, chole — жовч), яку йшла флегма — «phlegma «(грецьк. phlegma — слиз, мокроту), і, нарешті, четверта гумора — кров.

Конечно, співвіднести гуморы з такими відомими нині фізіологічними рідинами і тканинними секретами неможливо. Сучасна медична наука жодного зв’язку фізіології з містичними гуморами не визнає. І все-таки описані Вреном закономірності зміни настроїв, інтелектуальних можливостей та фізичного стану мають цілком наукову основу. Наука, вивчає добові ритми організму, називається хронобиологией (грецьк. chronos — час). Її засадничі поняття сформулиро вали видатні німецький і американський вчені професора Юрген Ашофф і Колін Питтендриг, яких на початку 80-х минулого століття був висували на здобуття Нобелівської премії. Але найвищий науковий нагороду вони, на жаль, не отримали.

Главное поняття хронобіології - денні цикли, тривалість яких періодична — близько (латів. circa) дня (латів. dies). Тому що змінюють друг друга денні цикли називаються циркадными ритмами. Ці ритми безпосередньо пов’язані з циклічною зміною освітленості, тобто із обертанням Землі навколо своєї осі. Вони на відзнаку всіх живих істот Землі: рослин, мікроорганізмів, безхребетних і хребетних тварин, до вищих ссавців й екології людини.

Каждому людей відомий циркадный цикл «неспання — сон ». У 1959 року Ашофф виявив закономірність, яку Питтендриг запропонував назвати «правилом Ашоффа ». Під цією назвою воно в хронобиологию і історію науки. Правило говорить: «У нічних тварин активний період (неспання) більш тривалий при постійному висвітленні, тоді як в денних тварин неспання більш тривало при постійної темряві «. І це дійсно, як згодом встановив Ашофф, при тривалої ізоляції людини або тварин у темряві цикл «неспання — сон «подовжується рахунок збільшення тривалості фази неспання. З правила Ашоффа слід, що став саме світло визначає циркадные коливання організму.

Гормоны і біоритми

В протягом циркадного дня (неспання) наша фізіологія переважно налаштована переробку накопичених поживних речовин, щоб отримати енергію для активної денний життя. Навпаки, під час циркадной ночі живильні речовини накопичуються, відбуваються відновлення та «лагодження «тканин. Як виявилося, ці зміни у інтенсивності обміну речовин регулюються ендокринної системою, тобто гормонами. У цьому, як працює ендокринний механізм управління циркадными циклами, є багато з гуморальной теорією Врена.

Вечером, перед настанням ночі, до крові з з так званого верхнього мозкового придатка — епіфізу виділяється «гормон ночі «- мелатонин. Це речовина виробляється эпифизом лише у темну пору доби, та палестинці час його присутності крові прямо пропорційно тривалості світловий ночі. У багатьох випадків безсоння у людей пов’язані з недостатністю секреції мелатоніну эпифизом. Препарати мелатоніну часто використовують як снодійних.

Мелатонин викликає зниження температури тіла, ще, він регулює тривалість і зміну фаз сну. Річ у тім, що людський сон є чергування повільнохвильовий і парадоксальною фаз. Медленноволновый сон характеризується низькочастотної активністю кори півкуль. Це — «сон без задніх ніг », час, коли мозок повністю відпочиває. Під час парадоксального сну частота коливань електричної активності мозку підвищується, і бачимо сни. Ця фаза близька до бодрствованию і є хіба що «трампліном «в пробудження. Медленноволновая і парадоксальна фази змінюють одна іншу 4−5 разів на ніч, в такт змін концентрації мелатоніну.

Наступление світловий ночі супроводжується та інші гормональними змінами: підвищується вироблення гормону розвитку і знижується вироблення адренокортикотропного гормону (АКТГ) іншим мозковим придатком — гіпофізом. Гормон зростання стимулює анаболические процеси, наприклад розмноження клітин та накопичення поживних речовин (глікогену) у печінці. Недарма кажуть: «Діти ростуть уві сні «. АКТГ викликає викид в кров адреналіну та інших «гормонів стресу «(глюкокортикоидов) з кори надниркових залоз, тому його рівня дозволяє зняти денний порушення і мирно заснути. У час засипання з гіпофізу виділяються опіоїдні гормони, які мають наркотичним дією, — ендорфінів і энкефалины. Саме тому процес занурення в сон супроводжується приємними відчуттями.

Перед пробудженням здоровий організм має бути готовим до активної бодрствованию, тим часом кора надниркових залоз починає виробляти збуджуючі нервову систему гормони — глюкокортикоиды. Найбільш активний їх — кортизол, який приводить до підвищення тиску, почастішання серцевих скорочень, підвищенню тонусу судин та зниження згортання крові. Саме тому клінічна статистика свідчить у тому, що гострі серцеві напади і внутримозговые геморрагічні інсульти переважно викликають раннє ранок. Зараз розробляються препарати, які знижуватимуть артеріальний тиск, зможуть досягати піка концентрації у крові лише вранці, запобігаючи смертельно небезпечні напади.

Почему декого стають «ні світло, ні зоря », інші хотів би поспати до полудня? Виявляється, відомому феномену «сов і жайворонків «є цілком наукове пояснення, яка базується на роботах Жэми Зейцер з Дослідницького центру сну (Sleep Research Center) Станфордского університету у Каліфорнії. Вона встановила, що мінімальна концентрація кортизола у крові звичайно припадає на середину нічного сну, та її пік досягається перед пробудженням. У «жайворонків «максимум викиду кортизола відбувається раніше, ніж в більшості людей, — в 4−5 годині ранку. Тому «жайворонки «активніші в ранкові годинник, але швидше стомлюються до вечора. Їх зазвичай рано починає хилити до сну, оскільки гормон сну — мелатонин вступає у кров набагато раніше півночі. У «сов «ситуація зворотна: мелатонин виділяється пізніше, ближче до опівночі, а пік викиду кортизола зрушать на 7−8 годині ранку. Зазначені час проведення суто індивідуальні і може варіювати залежно від виразності ранкового («жайворонки ») чи вечірнього («сови ») хронотипов.

" Циркадный центр «перебуває у головному мозку

Что йому це за орган, який управляє циркадными коливаннями концентрації гормонів у крові? Саме це це запитання вчені довгий час було неможливо знайти відповідь. Але ні когось з них сумнівався, що «циркадный центр «має перебувати у головному мозку. Його існування пророчили й засновники хронобіології Ашофф і Питтендриг. Увага фізіологів залучила давно відома анатоми структура мозку — супрахиазматическое ядро, розташоване над (латів. super) перекрестом (грецьк. chiasmos) зорових нервів. Вона має сигарообразную форму і полягає, наприклад, у гризунів лише з 10 000 нейронів, що дуже мало. Інша ж, близько розташоване від цього, ядро, параветрикулярное, містить сотні тисяч нейронів. Протяжність супрахиазматического ядра також невелика — трохи більше половини міліметра, а обсяг — 0,3 мм³ .

В 1972 року двох груп американських дослідників вдалося показати, що супрахиазматическое ядро це і є центр управління біологічними годинами організму. І тому вони зруйнували ядро у мозку мишей мікрохірургічним шляхом. Роберт Мур і Віктор Эйхлер виявили, що з тварин із нефункционирующим супрахиазматическим ядром пропадає циклічність викиду до крові гормонів стресу — адреналіну і глюкокортикоидов. Інша наукова група під керівництвом Фредеріка Стефана і Ірвіна Цукера вивчала рухову активність гризунів з віддаленим «циркадным центром ». Зазвичай дрібні гризуни після пробудження постійно перебувають у русі. У лабораторних умовах реєстрації руху до колесу, у якому тварина біжить дома, приєднується кабель. Мишки і хом’ячки в колесі діаметром 30 див пробігають 15−20 км протягом дня! По отриманим даним будуються графіки, які називаються актограммами. Виявилося, що руйнація супрахиазматического ядра призводить до зникнення циркадной рухової активності тварин: періоди сну й неспання стають вони хаотичними. Вони перестають спати протягом циркадной ночі, тобто у світлу годину доби, і ні циркадным днем, тобто із настанням темряви.

Супрахиазматическое ядро — структура унікальна. Якщо раніше видалити з мозку гризунів і розмістити у «комфортні умови «з теплою сприятливим середовищем, насиченою киснем, то кілька місяців нейронах ядра будуть циклічно змінюватися частота і амплітуда поляризації мембрани, і навіть рівень вироблення різних сигнальних молекул — нейротрансмітерів, передавальних нервовий імпульс з одного клітини в іншу.

Что допомагає супрахиазматическому ядру зберігати таку стабільну циклічність? Нейрони у ньому дуже щільно прилягають друг до друга, формуючи дуже багато міжклітинних контактів (синапсів). Завдяки цьому зміни електричної активності одного нейрона миттєво передаються всім клітинам ядра, тобто відбувається синхронізація діяльності клітинної популяції. До того ж, нейрони супрахиазматического ядра пов’язані особливим різновидом контактів, які називаються щілинними. Вони уявляють собою ділянки мембран стичних клітин, у яких вмонтовані білкові трубочки, звані коннексины. За цією трубочкам з однієї клітини до іншої рухаються потоки іонів, що також синхронізує «роботу «нейронів ядра. Переконливі докази такий механізм представив американський професор Баррі Коннорс на щорічному з'їзді нейробіологів «Neuroscience-2004 », що відбувся у жовтні 2004 року у Сан-Дієго (США).

По всієї ймовірності, супрахиазматическое ядро грає велику роль захисту організму в освіті злоякісних пухлин. Доказ цього, у 2002 року продемонстрували французькі і британські дослідники під керівництвом професорів Франсіс Леві і Майкла Гастингса. Мишам з зруйнованим супрахиазматическим ядром прищеплювали ракові пухлини кістковій тканині (остеосаркома Глазго) і підшлункової залози (аденокарцинома). Виявилося, що з мишей без «циркадного центру «швидкість розвитку пухлин усемеро вище, ніж в їх звичайних побратимів. На зв’язок між порушеннями циркадной ритміки і онкологічні захворювання в людини вказують і епідеміологічні дослідження. Вони свідчать, що частота розвитку раку грудей в жінок, довго що працюють у нічну зміну, за даними, до 60% вище, ніж в жінок, що працюють у денний доби.

Часовые гени

Уникальность супрахиазматического ядра й у тому, що у його клітинах працюють звані годинникові гени. Ці гени були вперше виявлено у плодової мушки дрозофіли в аналог мозку хребетних тварин — головному ганглії, протоцеребруме. Годинникові гени ссавців зі своєї нуклеотидної послідовності були дуже нагадують гени дрозофіли. Вирізняють два сімейства вартових генів — періодичні (Пер1, 2, 3) і криптохромные (Кри1 і 2). Продукти діяльності цих генів, Пері Кри-белки, мають цікаву особливість. У цитоплазмі нейронів вони утворюють між собою молекулярні комплекси, які пробираються у ядро і придушують активацію вартових генів і, природно, вироблення відповідних білків. Через війну концентрація Пері Кри-белков в цитоплазмі клітини зменшується, що — знову наводить до «розблокуванню «і активації генів, які починають виробляти нові порції білків. Так забезпечується циклічність роботи вартових генів. Передбачається, що годинникові гени хіба що налаштовують біохімічні процеси, які у клітині, працювати в циркадном режимі, але це, як відбувається синхронізація, поки що незрозуміло.

Интересно, що з тварин, з геному яких генно-інженерними методами дослідники видалили одне із вартових генів Пер 2, спонтанно розвиваються пухлини крові - лімфоми.

Световой що і біоритми

Циркадные ритми «придумані «природою, щоб пристосувати організм до чергуванню світлого і темного часу діб, і тому можуть бути пов’язані із його сприйняттям світла. Інформації про світловому дні вступає у супрахиазматическое ядро з світлочутливої оболонки (сітківки) очі. Світлова інформація від фоторецепторів сітківки, паличок і колбочек по закінченням ганглионарных клітин передається в супрахиазматическое ядро. Ганглионарные клітини непросто передають інформацію як нервового імпульсу, вони синтезують світлочутливий фермент — меланопсин. Тож у умовах, коли палички і колбочки не функціонують (наприклад, при уродженою сліпоти), ці клітини здатні сприймати світлову, але з зорову інформації і передавати їх у супрахиазматическое ядро.

Можно подумати, що у темряві ніякої циркадной активності у супрахиазматического ядра спостерігатися на повинен. Але це не так так: навіть за відсутності світловий інформації добовий цикл залишається стабільним — змінюється лише його тривалість. Що стосується коли така інформація про світлі в супрахиазматическое ядро не надходить, циркадный період в людини проти астрономічними цілодобово подовжується. Щоб довести це, в 1962 року «батько хронобіології «професор Юрген Ашофф, про яку йшлося вище, кілька днів помістив на цілком темну квартиру двох волонтерів — синів. Виявилося, що цикли «неспання — сон «після приміщення людей темряву розтягнулися на півгодини. Сон у повній темряві стає фрагментар ным, поверховим, у ньому домінує медленноволновая фаза. Людина перестає відчувати сон як глибоке відключення, він би марить наяву. Через 12 років француз Мішель Сиффрэ повторив ці эксперимен ти і дійшов аналогічним результатам. Цікаво, що з нічних тварин цикл у темряві, навпаки, скорочується і як 23,4 години. Сенс таких зрушень на циркадних ритмах досі пір недостатньо ясний.

Изменение тривалості світлового дня впливає активність супрахиазматического ядра. Якщо тварин, яких впродовж кількох тижнів містили в стабільному режимі (12 годин при світі і 12 годин на темряві), потім поміщали в інші світлові цикли (наприклад, 18 годин при світі і 6 годин на темряві), вони відбувалося порушення періодичності активного неспання і сну. Аналогічне відбувається і з людиною, коли змінюється освітленість.

Цикл «сон — неспання «у тварин повністю збігаються з періодами світлового дня. У сучасному людському суспільстві «24/7 «(24 години на добу, 7 днів, у тижню) невідповідність біологічних ритмів реальному добовому циклу призводить до «циркадным стресам », які, своєю чергою, можуть бути причиною розвитку багатьох захворювань, включно з депресіями, безсоння, патологію серцево-судинної системи та рак. Є навіть такого поняття, як сезонна афектована хвороба — сезонна депресія, що з зменшенням тривалості світлового дня взимку. Відомо, що у північних країнах, наприклад, у Скандинавії, де невідповідність довго сті світлового дня активному періоду особливо відчутно, серед населення дуже великий частота депресій і суїцидів.

При сезонної депресії у крові хворого підвищується рівень основного гормону надниркових залоз — кортизола, який сильно пригнічує імунну систему. А знижений імунітет неминуче веде до посиленої сприйнятливості до інфекційним хворобам. Отож цілком можливо, що короткий світловий день — однією причиною сплеску захворюваності на вірусні інфекції в зимовий період.

Суточные ритми органів прокуратури та тканин

На сьогодні встановлено, що став саме супрахиазматическое ядро посилає сигнали до центрів мозку, відповідальні циклічну вироблення гормонов-регуляторов добової активності організму. Однією з таких регуляторних центрів служить паравентрикулярное ядро гіпоталамуса, звідки сигнал про «запуску «синтезу гормону зростання чи АКТГ передається в гіпофіз. Отож супрахиазматическое ядро може бути «диригентом «циркадной активності організму. Та й інші клітини підпорядковуються своїм циркадным ритмам. Відомо, що у клітинах серця, печінки, легких, підшлункової залози, нирок, м’язової і сполучної тканин працюють годинникові гени. Діяльність цих периферичних систем підпорядкована власним добовим ритмам, які загалом збігаються з циклічністю супрахиазматического ядра, але зсунуто у часі. Питання, як «диригент циркадного оркестру «управляє функціонуванням «оркестрантів », залишається ключовою проблемою сучасної хронобіології.

Циклично функціонуючі органи досить легко вивести з-під контролю супрахиазмати ческого ядра. У 2000;2004 роках вийшла серія сенсаційних робіт швейцарської і американською дослідницьких груп, керованих Юлі Шиблером і Майклом Менакером. У експериментах, проведених вченими, нічних гризунів годували лише у світлу годину доби. Для мишей це так противоестественн про, як людини, якому давали можливість є лише вночі. Через війну циркадная активність вартових генів у внутрішні органи тварин поступово перебудовував ась цілком і переставала збігатися з циркадной ритмікою супрахиазматического ядра. А повернення до нормальних синхронним биоритмам відбувалося відразу від початку їх годівлі в звичайне їм час неспання, тобто нічний час діб. Механізми цього феномена поки що невідомі. Але одне ясно точно: вивести її з-під контролю супрахиазматического ядра просто — треба лише кардинально змінити режим харчування, почавши обідати ночами. Тому суворий режим приймання їжі пустопорожній звук. Особливо важливим є слідувати то дитинстві, оскільки біологічний годинник «заводяться «у самому ранньому віці.

Сердце, як і всі внутрішніх органів, теж має власної циркадной активністю. У штучних умовах воно виявляє значні циркадные коливання, виражену в циклічний зміні його сократительной функції і підвищення рівня споживання кисню. Біоритми серця збігаються з активністю «серцевих «вартових генів. У гіпертрофованому серце (у якому м’язова маса збільшена через розростання клітин) коливання активності серця й «серцевих «вартових генів зникають. Тому цілком можливо і зворотне: збій в добової активності клітин серця може викликати гіпертрофію з наступного розвитку серцевої недостатності. Отож порушення режиму дні й харчування запросто може бути причиною серцевої патології.

Суточным ритмам підпорядковані як ендокринна система та внутрішні органи, життєдіяльність клітин на периферичних тканинах також іде по специфічної циркадной програмі. Ця сфера досліджень лише починає розвиватися, але вже настав накопичені цікаві дані. Так було в клітинах внутрішніх органів гризунів синтез нових молекул ДНК переважно посідає початок циркадной ночі, цебто в ранок, а розподіл клітин активно починається у початку циркадного дня, тобто ввечері. Циклічно змінюється інтенсивність зростання клітин слизової оболонки рота людини. Що особливо важливо, відповідно до добовим ритмам змінюється від і активність білків, відповідальних за розмноження клітин, наприклад топоизомеразы II? — білка, який нерідко слугує «мішенню «дії хіміотерапевтичних препаратів. Цей факт має виняткового значення на лікування злоякісних пухлин. Як свідчать клінічні спостереження, проведення хіміотерапії в циркадный період, відповідний піку вироблення топоизомеразы, набагато ефективніше, ніж однократне чи постійне запровадження хіміопрепаратів в довільне час.

Ни хто має учений поза сумнівом, що циркадные ритми — одне із основних біологічних механізмів, завдяки якому вона за мільйони еволюції все мешканці Землі пристосувалися до світловому добовому циклу. Хоча чоловік і є высокоприспособленным істотою, що дозволило йому стати найчисленнішим виглядом серед ссавців, цивілізація неминуче руйнує його біологічний ритм. І тоді час як рослин та тварини йдуть природної циркадной ритміці, людині доводиться набагато складніше. Циркадные стреси — невід'ємна риса сьогодення, протистояти їм досить складно. Однак у наших силах бережно ставитися до «біологічним годинах «здоров'я, чітко слідуючи режиму сну, неспання і продукти харчування.

Не лише тварини, а й рослини живуть по «біологічним годинах ». Денні квіти закривають і відкривають пелюстки залежно від освітленості - це відомо всім. Проте чи кожному відомо, що освіта нектару теж підпорядковується добовим ритмам. Причому бджоли запилюють квіти лише у певні годинник — в моменти вироблення найбільшого кількості нектару. Це спостереження було зроблено біля підніжжя хронобіології - на початку ХХІ століття — німецькими вченими Карлом фон Фришем і Ингеборгом Белингом.

У більшості людей рівень кортизола у крові починає наростати з півночі і становить максимуму до 6−8 годині ранку. На той час практично припиняється вироблення мелатоніну. Приблизно через 12 годин концентрація кортизола починає знижуватися, через ще 2 години запускається синтез мелатоніну. Але це тимчасові рамки досить умовні. У «жайворонків », наприклад, кортизол сягає максимального рівня раніше — до 4−5 годині ранку, у «сов «пізніше — до 9−11 годинах. Залежно від хронотипа зміщуються і піки викиду мелатоніну.

Если супрахиазматическое ядро розмістити у «комфортні «фізіологічні умови (лівий знімок) та не записати електричну активність його нейронів протягом доби, вона виглядатиме як періодичні наростання амплітуди розрядів (потенціалу дії) з максимумами кожні 24 години (права діаграма).

В лабораторних умовах реєстрації рухової активності гризунів до колесу, у якому тварина біжить дома, приєднується кабель. По отриманим даним будуються графіки, які називаються актограммами.

Гипоталамус виділено рамкою на верхньому малюнку, зроблене з подовжнього розтину мозку людини. Супрахиазматическое ядро лежить над перекрестом зорових нервів, якими вона бере світлову інформацію з сітківки очі. Правий нижній малюнок — це зріз гіпоталамуса миші, пофарбований в синій колір. На лівому нижньому малюнку той самий зображення представлено схематично. Парні кулясті освіти — скупчення нейронів, формують супрахиазматическое ядро.

Мелатонин викликає засипання, яке коливання у нічний доби призводять до зміні фаз сну. Секреція мелатоніну підпорядковується циркадной ритміці і від освітленості: темрява її стимулює, а світло, навпаки, придушує. Інформації про світлі у ссавців вступає у епіфіз складним шляхом: від сітківки очі до супрахиазматического ядра (ретино-гипоталамический тракт), потім супрахиазматического ядра до верхнього шийного вузла і південь від верхнього шийного вузла в епіфіз. У риб, амфібій, рептилій і птахів освітленість може керувати виробленням мелатоніну через епіфіз безпосередньо, оскільки світло легко проходить через тонкий череп цих тварин. Звідси ще одна назва епіфізу — «третій очей ». Як мелатонин управляє засипанням й зміни фаз сну, поки що незрозуміло.

Оно здійснює своїх функцій, регулюючи вироблення гормонів гіпофізом і надпочечниками, ні з допомогою безпосередньої передачі по відростках нейронів. Циркадную активність периферичних органів можна вивести з-під контролю супрахиазматического ядра, порушивши режим харчування — приймаючи їжу по ночам.

Список литературы

Для підготовки даної праці були використані матеріали із сайту internet.