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.