Ритмы жизни — биологические часы — время и рефлексы в процессе жизни

Содержание

Биологические ритмы в жизни и человека

Ритмические процессы в живом мире

Время и рефлексы в процессе жизни

Когда портится механизм биологических часов

Ритмы активности и здоровье

Биологические ритмы жизни, также известные как циркадные ритмы, являются внутренними биологическими процессами, которые повторяются примерно в одно и то же время каждый день, неделю, месяц или год.

Биологические ритмы в жизни и человека

Эти ритмы управляются внутренними «биологическими часами», которые находятся внутри клеток и тканей организма.

Одним из наиболее изученных биологических ритмов является суточный циркадный ритм, который регулирует поведение, физиологические процессы и метаболизм организма в течение 24-часового цикла.

У человека также есть свои биологические часы, которые регулируют его физиологические и поведенческие процессы. Главным регулятором внутренних часов человека является гипоталамус, часть мозга, которая контролирует циркадные ритмы путем выделения различных гормонов и нейромедиаторов.

Один из ключевых факторов, влияющих на внутренние часы человека, — это световой сигнал, который поступает в глаза и помогает настроить биологические ритмы в соответствии с окружающими условиями освещенности.

Суточные биологические ритмы человека регулируют такие важные функции, как сон и бодрствование, уровень энергии, температура тела, выработка гормонов и многие другие физиологические процессы.

Нарушение этих ритмов, например, из-за измененных графиков работы, смены часовых поясов или нарушений сна, может привести к дисфункции и снижению общего самочувствия.

Биологические ритмы также имеют важное значение для медицины и исследований, связанных с оптимальным использованием лекарственных препаратов и терапевтических подходов.

Понимание этих ритмов позволяет учитывать их влияние на фармакокинетику и фармакодинамику, что может привести к улучшению эффективности лечения и предотвращению побочных эффектов.

Биологические ритмы и время играют важную роль в жизни человека и позволяют организму функционировать согласованно с внешней средой и естественными циклами окружающего мира.

Многие замечали, что у некоторых растений утром раскрываются, а вечером закрываются цветы.

Бобовые, например, вечером опускают листья и поднимают их утром. Поэтому люцерновое поле утром кажется гуще, чем вечером.

Кто плавал по южным морям, помнит, что в определенное время суток вода вдруг как бы загорается. Этот чудесный свет обязан своим происхождением одноклеточным организмам.

Ритмические процессы в живом мире

Оказывается, в растительной и животном мире наблюдаются строгие ритмические процессы. Существуют ритмы образования нектара, пахучести соцветий, дыхания, поглощения и выделения воды, направленности действия ферментов, деления клеток.

Наблюдая природу, видишь поразительно строгое распределение ритмов активности во времени. По поведению некоторых животных можно измерять солнечное время, проверять часы.

Периоды таких ритмов изо дня в день осуществляются с ошибкой не более нескольких минут. Они могут повторяться даже спустя несколько суток вынужденного покоя: через несколько дней после ненастной погоды пчелы прилетают за взятком именно в то время, к которому они привыкли.

В этом отношении человек не является исключением из мира живой природы. Без каких-либо внешних ориентиров мы можем определять время суток в течение 2 — 3 дней с правильностью до 1%.

С удивительной точностью мы можем пробуждаться в то время, которое задумали перед сном. Днем в нашем теле вырабатывается много гормонов, вызывающих распад углеводов, белков, жиров; циркулирует больше крови, и в ней больше питательных веществ; выше температура тела.

Иное дело ночью. Наша печень и мышцы превращают всасываемый из крови сахар в гликоген (запасный углевод). При этом размеры клеток печени возрастают в три раза.

Синтез белков преобладает над их распадом, понижается температура тела, уменьшается количество циркулирующей крови, ослабляется работа почек, и происходят многие другие характерные изменения.

Максимумы одних процессов приходятся на дневные, а других — на ночные часы. Таких суточно — периодических процессов в нашем теле насчитывается более сорока.

Поддерживая и взаимно усиливая друг друга, они обеспечивают целостность организма, как его максимальную дееспособность, так и наиболее полноценное восстановление в период сна.

Биологические часы

Для чего же растениям и животным нужны собственные «биологические часы»? Благодаря этим часам растения животные способны определять время года по длительности светлого периода суток (или темного) и заблаговременно готовиться к предстоящим сезонным изменениям климата.

Они помогают животным помнить время суток, ориентироваться по солнцу во время передвижений и особенно дальних странствий, соблюдать строгие суточные, приливные и лунные периодизмы.

Мы коснется только суточного ритма активности. Распределение жизнедеятельности в течение суток выражается в том, что различные виды ведут дневной, ночной или сумеречный образ жизни.

Такое «распределение во времени» облегчает конкуренцию и прямую борьбу за существование между представителями различных видов, они лучше приспосабливаются к условиям жизни.

Хризантемы цветы долгой жизни и время жизни

Наследственные ритмы активности

Не только у каждого вида, но и у отдельных организмов есть свои наследственные ритмы активности. Для растений они обычно лежат в пределах 23 — 28 часов, а у животных — в пределах 23 — 25 часов.

В течение суток закономерно изменяются температура и влажность воздуха, освещение, барометрическое давление и другие факторы среды. Какой же из них влияет на ход биологических часов?

Еще в 1757 году ученый Хилл заметил, что фазы движения листьев растений можно перестраивать, «извращать», если днем растение держать в темноте, а ночью на свету. Спустя некоторый срок фазы биологических суточных ритмов начинают следовать уже новым условиям освещенности.

Так впервые открылись возможности управления ритмами, чтобы прежде всего понять, от каких внешних условий они зависят.

У бобовых новый ритм опускания листьев сохраняется полной темноте; если растение все время держать при слабой освещенности, то периодизми движения листьев будет выражен слабо.

Если при этом дать ночью яркую вспышку света, то листья сразу поднимутся и впредь будут подниматься в то же самое время. Затем было установлено, что суточный ритм активности не проявляется, если организмы от рождения все время находятся на свету или в темноте.

Часы стоят как бы с заведенной пружиной. Их «маятник» начнет колебаться, если темноту разрезать вспышкой света или если непрерывное освещение прервать несколькими минутами темноты.

Следовательно, ритм освещения является пусковым условием для суточной периодичности активности или покоя. Интересные опыты выполнены американским ученым Ф. Брауном на маленьком крабе, который за непомерно большую клешню назван «скрипачом или «манящим» — Fiddler crab.

Он живет на побережье Атлантики в зоне приливов и питается тем, что остается на берегу после отлива. В соответствии с условиями жизни у него выработалось несколько строгих периодизмов.

«Скрипач» бегает в поисках пищи в часы отлива и неподвижен в часы прилива. Кроме того, каждое утро он темнеет, а вечером светлеет. Такое приспособление к освещению обусловлено перемещением пигмента в многочисленных особых крупных клетках поверхности его тела.

Эти клетки называются хроматофорами. Краб светлеет, когда пигмент собирается в одном месте клетки, и темнеет, когда пигмент равномерно распределяется по отросткам клетки.

Распределение пигмента в хроматофорных клетках: А — краб светлеет, когда пигмент собирается в одном месте клетки: Б — краб темнеет, когда пигмент распределяется равномерно по всем ее отросткам.

Создавая темноту днем и свет ночью, можно «перевернуть» ритм изменений цвета тела краба. В пределах 24 часов можно создать любой ритм. В полной темноте выработанный ритм будет так же долго сохраняться, как и естественный, но и его тоже можно подавить.

Для этого краба надо держать 10 суток на ярком свете, после чего он все время будет темным. И можно восстановить ранее существовавший ритм: достаточно подержать краба одни сутки в полной темноте.

Краб Скрипач.

Здесь любопытна следующая деталь. Если краба помещать в темноту с 12 или 18 часов, то восстанавливается нормальный ритм. Если же это сделано в 6 часов утра, то новый ритм уходит вперед от нормального на 6 часов: часы начинают спешить.

Если краба, имевшего нормальный ритм в темноте, освещать в разные часы в течение 3 суток, то в зависимости от условий опыта биологические часы будут отставать или спешить на точно рассчитанное время.

Так изменяется цвет краба в зависимости от освещения и температуры: а) в постоянной темноте; 6) при освещении в течение 3 суток с 24 до 12 час.; в) при освещении в течение 3 суток с 18 до 6 час.; г) после шести часов на льду.

Причем оказалось, что чем ярче свет, тем быстрее создается новый ритм изменений окраски тела. Но как бы ни изощрялся ученый в комбинациях опытов, ему никогда не удавалось создать у краба какой-либо ритм, значительно выходящий за пределы суток.

Интересен и опыт с плодовыми мухами. В естественных условиях они обычно вылетают из куколок на рассвете.

Если личинки и куколки держать в темноте, то впоследствии взрослые мухи будут вылетать из куколок в течение всего дня. Но если в какое-то время суток, хотя бы на полминуты, зажечь свет, мухи будут вылетать именно в это время.

Широкие опыты проведены на обезьянах. Известная исследовательница О. П. Щербакова содержала обезьян — макак и павианов — при извращенном режиме освещения (днем темно, ночью светло).

У животных новый ритм двигательной активности устанавливался на 3 — 4-е сутки, а новые ритмы изменения температуры тела и физиологических процессов — лишь на 6 – 13-е сутки после начала опыта.

Любопытные наблюдения были сделаны над периодизмом сна и бодрствования у орангутанга, которого перевозили на пароходе в Европу с острова Ява. На протяжении всего пути обезьяна спала по 12 часов.

Но если на родине она спала с 18 часов до 6, то на долготе мыса Доброй Надежды это время сместилось соответственно на 14 и 2 часа ночи.

Корабль шел слишком быстро, и биологические часы животного не успевали перестраиваться в полном соответствии с астрономическим временем.

Свет (точнее говоря, ритм света и темноты) оказался главной силой, которая дает толчок маятнику заведенного часового механизма, поддерживает ход часов и синхронизирует его с астрономическим временем.

Однако надо иметь в виду, что у организмов есть и суточный ритм чувствительности к свету, поэтому не в любое время суток действие света дает желаемые результаты.

Биологические часы в природе и механизм биологических часов

Жизнь, обмен веществ возможны только в определенных температурных границах. Поэтому-то если температура снижается дальше какого-то минимума, то часы останавливаются.

Например, суточный ритм изменений окраски краба-скрипача прекращается при минус 2 градусах °С. При повышении температуры эти часы вновь пойдут с того момента, когда они остановились.

Следовательно, пигментные клетки тела краба (или клетки управляющего ими центра) можно сравнить с часами, маятник которых останавливается при значительном снижении и приходит в движение при повышении температуры.

В то же время, если краба держать в темной комнате при температуре от +6 до +26 градусов, то ритм окраски тела нисколько не изменится. При любой температуре в этом интервале за 2 месяца ритм не отклонится от естественного больше чем на несколько минут.

Поразительные результаты установлены и в опытах с млекопитающими. У них строгий суточный режим дыхания — в течение 24 часов совершается постепенный переход от максимума к минимуму и обратно.

Чтобы выяснить зависимость этого ритма от температуры, стали экспериментировать с зимнеспящими зверьками, ибо у них наступление спячки сопровождается снижением температуры тела до температуры воздуха.

Оказалось, что у летучих мышей и при температуре тела в 3 — 10 градусов сохраняется прежний суточный режим дыхания. Опыты с температурой наглядно показывают, что биологические часы работают при минимальном обеспечении энергией и останавливаются лишь при практическом полном прекращении ее притока.

Время и рефлексы в процессе жизни

Основоположник учения о закономерностях высшей нервной деятельности великий ученый И. П. Павлов доказал, что поведение животных состоит из безусловных — врожденных — и условных приобретенных в процессе жизни — рефлексов.

Время — тоже один из факторов, влияющих на образование условных рефлексов у всех позвоночных и некоторых беспозвоночных животных. Интересные мысли о причинах ритмичности у теплокровных животных были высказаны академиком К. М. Быковым.

Он указывал, что «кора мозга как бы распределяет порядок течения сложного акта, обеспечивающего целостность организма, в органы как бы отсчитывают время вступления в действие. При этом каждый орган отсчитывает время по своим часам».

Однако, создавая общую теорию суточного ритма биологических процессов, мы должны исходить из того, что существование ритмичности доказано у представителей большинства типов растений и животных.

Вероятно, ритмичность существует и у бактерий. Значит, теорией условного рефлекса нельзя объяснить, почему всегда ночью флуоресцируют морские одноклеточные, почему цветки каждое утро раскрываются до восхода солнца. Ведь у одноклеточных животных и у всех растений нет нервной системы, нет аппарата для образования условных рефлексов.

Вероятно, суточная ритмичность у всех организмов основана на каком-то общем коренном свойстве протоплазмы. Согласно современным воззрениям, в каждой живой клеточке есть две группы генераторов колебаний.

Одна из них — врожденная, самоподдерживающаяся, светочувствительная. Она относительно устойчива к колебаниям температуры и к ядам, работает на минимальном притоке энергии. Эта группа представлена, по-видимому, некоторыми участками хромосом — структур клеточного ядра.

В пользу такого предположения говорят наследуемость длины периодов и ведущая роль хромосом при передаче наследственных признаков. Группа генераторов колебаний подобного рода могла быть у первичных носителей жизни, ибо жизнь должна быть ритмичной уже и потому, что она является непрерывным химическим процессом.

Циклы процесса по необходимости должны состоять из фаз накопления и траты вещества и энергии, зарядки и разрядки. Возникновение жизни не что иное, как рождение порядка в хаосе химических реакций, и этот порядок прежде всего обязан биологическим полимерам — нуклеиновым кислотам.

Возможно, что именно ритм чередования пар оснований, то нуклеотидов, в их структуре и лежит в основе первой группы генераторов колебаний — осцилляторов.

Вторая группа генераторов воспринимает случайные и незначительные колебания температуры, перепады барометрического давления, изменения других внешних факторов. Она, видимо, представлена системой клетки в целом.

В процессе эволюции у животных развивалась центральная нервная система, осуществляющая верховное управление над всей деятельностью организмов. В ней возникли главные представительства обеих групп генераторов колебаний.

Управление первой группой осцилляторов сосредоточилось в верхней части мозгового ствола, являющегося продолжением спинного мозга в черепной коробке.

Главный метроном нашего организма, вероятно, расположен в подбугорной области мозга и тесно связан с центрами зрения, вегетативной нервной системы многих сторон единого процесса обмена веществ.

Вторая система осцилляторов, видимо, представлена корой головного мозга. И. П. Павлов отмечал, что пока невозможно дать точный, определенный ответ на вопрос о том, как понимать физиологическое время в качестве условного раздражителя.

Важная задача стоит перед наукой: связать учение о рефлексах с современными данными о системах внутриклеточных осцилляторов. Плодотворное ее решение возможно при союзе физиологии с кибернетикой, биофизикой, биохимией и генетикой.

Когда портится механизм биологических часов

Разные причины могут нарушить ход биологических часов. Например, основные внутриклеточные осцилляторы могут портиться в результате внезапных наследственных изменений (мутаций). Нарушения вызывают и необычные условия освещения и температуры.

Как показали опыты профессора И. И. Гунapa, у томатов задерживаются и растягиваются периоды цветения и плодоношения, если светлый период суток прервать двумя часами темноты или темный период — светом.

Сильные повреждения томатов появляются, если их выращивают при ритмах света и темноты в 6 — 6 и 24 — 24 часа или при постоянном освещении. Световая болезнь у них возникает даже от чередования 14 часов света и 16 часов темноты.

Неестественные условия освещения, когда длительность периода намного меньше или больше суток, нарушают обмен веществ, вызывают изменение в строении многих растений.

Повреждений, которые наступают при непрерывном освещении, можно избежать, если чередовать периоды повышенной и пониженной температуры.

Постоянная температура, так же как сочетание пониженной температуры со светлым периодом, нарушает ход часов не только у растений, но и у животных. Ритм деления клеток — одно из основных проявлений действия внутриклеточных осцилляторов.

Поэтому их нарушения могут срывать график ритма, вызывать его чрезмерное ускорение или замедление. Может быть, что с этим связано и наступление некоторых форм раковых заболеваний, проявляющихся в неудержимом размножении клеток.

Согласованное распределение физиологических процессов во времени — важный фактор физиологической целостности организма. У растений, видимо, возможны большие степени аритмичности, чем у животных.

Например, у двух листьев, расположенных супротивно, можно вызвать различное смещение фаз суточного ритма движения листьев. Фаза движения может не совпадать с ритмами плача и гуттации — выделения листьями капелек воды под влиянием корневого давления.

Прибор для регистрации движения листьев.

В то же время теснейшим образом связаны ритмы всасывающей деятельности корневой системы, транспирации, дыхания, фотосинтеза.

Ритмы активности и здоровье

Точное распределение различных физиологических процессов во времени имеет огромное значение для теплокровных животных и особенно человека. Ритмы активности и сна должны максимально совпадать с ритмом света и темноты.

Какой же измененный ритм сна бодрствования наиболее безопасен для здоровья? Читатель сам уже может правильно ответить на этот вопрос: любая перестановка фаз в пределах суточного цикла при обеспечении полной темноты и тишины в период сна.

Неблагоприятными являются следующие ритмы:

12 часов работы – сутки отдыха; 1 сутки работы — 2 суток отдыха. В периоды перехода от одного суточного ритма к другому могут возникать несогласованности в фазах разных процессов.

Например, аритмичность деятельности желудка и печени может быть причиной гастрита и язвы желудка. В других случаях аритмия физиологических процессов может приводить к душевным заболеваниям (в результате истощения нервных клеток).

Даже, казалось бы, незначительные изменения в ритмичности оказывают влияние на организм. При полете на самолетах обычно отмечается снижение физических и умственных сил в результате значительного сокращения или удлинения дня.

Суточный распорядок физиологических процессов во времени является чудесной симфонией, партитура которой записана в ритмах строения молекул нуклеиновых кислот, в химических циклах клеток соответствующих центров.

И могучими дирижерами этой симфонии являются периодические изменения освещенности и температуры, порождаемые вращением Земли вокруг своей оси — одной из основных форм повторяющегося движения, делающей возможным само существование жизни.

Кандидат биологических наук Эмме А.