Функции биологических часов

Биологические ритмы — это, по сути дела, биологические часы, которые выполняют ту же функцию, что и любые другие часы. Если бы у животных начало и окончание определенных сезонных перестроек в функционировании их организма не были запрограммированы на генетическом уровне и они ориентировались бы в своем поведении только на изменения внешней среды, то выжить им было бы очень сложно. Если медведь не заляжет в берлогу до появления первого снега при поздно наступившей зиме, то, ведя активный образ жизни, он растратит накопленные за лето жировые запасы раньше времени и погибнет от голода. Птицы, запоздавшие в такой ситуации с перелетом в теплые края, будут погибать от холода во время миграции. Поэтому биологические часы, включенные в них однажды природой, заставляют их игнорировать большую часть внешних сигналов, когда приходит время активных действий.

То есть биологические ритмы — это генетически запрограммированная в процессе эволюции последовательность и продолжительность течения тех или иных биологических процессов. Они позволяют организму адаптироваться к окружающей среде.

В то же время эта генетическая программа не является через чур жесткой. Она оставляет «пространство для маневра» в тех случаях, когда внешние условия резко и надолго меняются. Так, например, температура внешней среды или степень освещенности в некоторых случаях могут подействовать на течение биоритмов. Если сусликов содержать весь год в помещении при температуре, близкой к нормальной температуре их тела, то зимняя спячка у них может не наступить, но годичные циклы прибавки и потери веса у них сохранятся. Если зябликов, которые, как и все птицы, активны в дневные часы, круглосуточно держать в темноте, включая яркий свет лишь на 15 минут в день, то цикл их активности станет равным периоду освещенности. В то же время, после того как эти животные окажутся в обычных для них условиях, их биологические часы вновь начнут работать без сбоев.

Для людей цикл света и темноты — это эффективный фактор поддержания биологических ритмов по установленному образцу. Если этот фактор исключить, то биологические часы человека перейдут на свободно текущий ритм, и синхронность многих внутренних процессов нарушится. Так, в классическом эксперименте немецкого исследователя Ю. Ашоффа, проведенном в 1969 году, испытуемого поместили в изолированную камеру, где исключалась возможность ориентироваться во времени. Через несколько дней у него установился цикл сна и бодрствования с периодом около 33 часов, в то время как цикл температуры тела длился всего лишь 25 часов. Это (как мы уже отметили выше) позволило предположить, что цикл общей активности и температурный цикл регулируются различными системами и что в обычных условиях обе эти системы синхронизируются с единым 24-часовым ритмом дня и ночи.

Если по какой-либо причине привычный график жизни любого человека резко меняется (переход на работу в ночную смену или перелет на самолете через несколько часовых поясов), то нормальное течение биологических ритмов нарушается. Возникает десинхронизация ритмов в результате изменения соотношений между теми часами, по которым человек вынужден жить в новых условиях, и его собственными внутренними часами, по которым в его организме протекают гуморальные процессы. Те гормоны, которые должны выбрасываться в кровь перед пробуждением, для того чтобы настроить работу организма на весь предстоящий день (например, гидрокортизон), начнут выделяться в совсем неурочное время — днем или вечером. А вот утром, то есть тогда, когда они остро необходимы, их будет как раз очень не хватать. В результате человек будет испытывать постоянное чувство усталости. Если в обычных условиях человек погружается в ночной сон на фоне снижающейся температуры тела и потому с удовольствием кутается в теплое одеяло, то в изменившейся ситуации ему придется делать это на фоне повышения температуры. Нужно ли говорить о том, что сон к нему придет очень не скоро, и, пробудившись утром (согласно будильнику), а на самом деле ночью или в полдень (согласно биологическим часам), он будет чувствовать себя ужасно. И процессы мочеиспускания, и процессы дефекации, также зависящие от выброса в кровь соответствующих гормонов, будут протекать в иных временных рамках.

Спустя некоторое время ритмы синхронизируются, но не все сразу. Одни восстановятся раньше, а другие — позже. Скорость восстановления ритмов зависит, с одной стороны, от того, в какую сторону произошел сдвиг. В сторону опережения биологического времени или в сторону отставания от него. В первом случае произойдет фазовая задержка, во втором — фазовое ускорение. Организму легче восстанавливаться в случае фазовой задержки. С другой стороны, время, необходимое для восстановления синхронности протекания биологических ритмов, зависит от возраста и индивидуальных физиологических особенностей каждого человека.

Контрольные вопросы и задания

• 1. Каковы основные виды биоритмов? Приведите примеры некоторых из них.
• 2. Какие ритмы относятся к инфрадианным биоритмам? Опишите физиологический механизм, лежащий в основе инфрадианной активности.
• 3. Какие структуры ЦНС регулируют течение женского репродуктивного цикла? Опишите его физиологический механизм. Приведите примеры связи инфрадианного ритма с циркадианными ритмами.
• 4. Какие физиологические процессы млекопитающих протекают в рамках циркадианных и ультрадианных ритмов? Приведите примеры взаимосвязанного и независимого протекания этих процессов.
• 5. Почему цикл «сон — бодрствование» считают главной формой проявления циркадианной активности? Охарактеризуйте основные фазы сна.
• 6. Какие структуры ЦНС принимают участие в возникновении различных фаз сна? Опишите нейронные механизмы циркаи ультрадианных ритмов при сне.
• 7. В чем состоит функциональное значение биологических ритмов? Приведите примеры последствий их нарушения.