Механизмы формирования и регуляции биоритмов

1. Свет как цайтгебер циркадных ритмов организмов

Первостепенное значение для синхронизации по фазе суточных и годовых физико-химических ритмов организма имеет цикл свет темнота, т.е. фотопериодичность. Влияние фотопериода на метаболические процессы может осуществляться путем изменения структуры циркадианных ритмов в системе нейроэндокринной регуляции.

Свет через сетчатку глаза раздражает нервные окончания, возбуждает срединные структуры мозга (гипоталамус), тот возбуждает гипофиз, который в свою очередь посылает сигнал надпочечникам, щитовидной и половым железам. В кровь поступают гормоны адреналин, норадреналин, тироксин, тестостерон. В результате циркадной ритмикой оказываются охваченными клетки и ткани всего организма.

2. Мелатонин – мессенджер эндогенных ритмов

Импульсы нервных окончаний с сетчатки глаза, в которых закодирована степень освещенности супрахиазматического ядра гипоталамуса. Они же формируют вовлечение эпифиза в механизм восприятия изменений освещенности. Эпифиз секретирует гормон мелатонин, а он принимает участие в управлении уровнем половых гормонов, а также кортикостероидов, обладающих четко выраженной суточной периодикой, и возможно, антагонистически взаимодействует с меланофорным гормоном гипофиза. Мелатонин – гормон, выработка которого увеличивается ночью и уменьшается при первых лучах утреннего солнца. Ранним утром солнечный свет способствует исчезновению гормона, в то время как искусственный свет не обладает таким действием. Концентрация мелатонина в плазме человека ночью бывает более чем в сто раз выше, чем днем.

3. Мультиосцилляторный механизм

В соответствии с данной концепцией, «единые биологические часы», централизованно управляющие осцилляциями отсутствуют. Под действием многочисленных факторов, имеющих разные точки приложения в организме, происходят колебания в органах, тканях. Метаболизм представляет собой цепь биохимических реакций, скорость которых зависит от присутствия специфических ферментов – катализаторов. Каждое звено этой цепи можно считать петлей обратной связи, или потенциальным осциллятором (колебательной системой). Вероятно, среди многообразия биохимических циклов преимущество в отборе получали те, постоянная времени которых была близка к 24 часам. Такие циклы «усваивали» суточные колебания внешней среды, попадали в такт с чередованием дня и ночи. Так образовывались суточные ритмы. На следующем этапе сложилась совершенная организация взаимосогласованных околосуточных ритмов – циркадианная система.

4. «Хронон – гипотеза»

Согласно этой гипотезе механизм околосуточных ритмов связан с ДНК ядра клетки. «Хронон» – участок ДНК, который может рассматриваться как морфологический субстрат контролирующий биоритмы. Основой процесса отсчета времени в клетках являются длинные молекулы ДНК. На разошедшихся нитях спирали строится информационная РНК, достигая полной длины одиночной нити ДНК. Одновременно протекают взаимосвязанные химические реакции, соотношение скоростей которых можно рассматривать как регулирующий механизм часов. Концепция хронона исходит из предположения о циклическом копировании (репликации) фрагмента цепи ДНК, содержащего информацию, необходимую для синтеза цепи из 200 – 2000 белков. Отдельный фрагмент может вызвать копирование матричной РНК (мРНК) только в том случае, если белок, соответствующий начальному фрагменту цепи, синтезирован и возвратился в ядро. Весь процесс длится 24 часа.

5. Гипотеза «волновых пакетов»

Ее главное положение заключается в том, что Земля, когда она представляла собой газовый шар, подвергалась электромагнитным воздействиям из Космоса. В дальнейшем, когда Земля отвердела, все как неорганические, так и органические процессы (в том числе и формирование живых организмов) восприняли ритм этих первичных колебаний, возникших под влиянием космических электромагнитных воздействий. Вызванные флюктуации атомарных групп в молекулах ДНК определили и базальные биоритмы организмов. Поэтому биологические ритмы людей связаны с регионом, в котором они родились.

В качестве примера можно привести следующие наблюдения. В Центральной России заболеваемость ишемической болезнью сердца значительно возрастает в зимний период, в то время как в Восточной Сибири подъем этой заболеваемости отмечается летом.

Патофизиология биоритмов

Для того чтобы четко представить себе, какие биоритмологические нарушения могут лежать в основе развития тех или иных заболеваний, рассмотрим эту проблему, прежде всего с точки зрения классификации нарушений биоритмов. Любые нарушения биоритмов имеют общее название десинхроноз. Десинхронозы могут проявляться следующими изменениями структуры ритма:

1. увеличение (уменьшение) амплитуды;

2. инверсия акрофаз;

3. изменение длительности периода.

Десинхронизацией называется состояние, характеризующееся рассогласованием внутри- или межсистемных ритмов, ранее синхронизированных. В основе десинхронизации лежит рассогласование существующих в норме периодов и фаз ритмов организма и внешней среды (внешняя десинхронизация) и фазовых взаимоотношений ритмов внутри организма (внутренняя десинхронизация).

Десинхронозы подразделяются на острые и хронические.

Острый десинхроноз возникает при экстренном рассогласовании датчиков времени и ритмов организма. Например, при перелете, когда пересекается несколько часовых поясов, возникает нарушение взаимоотношения фаз ритма «сон – бодрствование»). В случае если воздействие фактора, вызвавшего острый десинхроноз, не прекращается, развивается хронический десинхроноз.

Выделяют следующие виды десинхронозов:

1. явный (выраженные субъективные и объективные нарушения функционирования организма);

2. скрытый (нарушения циркадианной ритмики можно выделить только при обследовании);

3. тотальный (расстройство ритмики проявляется в большинстве звеньев циркадианной системы);

4. частичный (изменения циркадианных ритмов локализованы в рамках одного органа или системы).

Наиболее тяжелая степень десинхроноза – асинхроноз – несовместима с жизнью.

Причины десинхроноза могут быть следующие:

1. рассогласование между суточными стереотипами организма и реальным временем, возникающее при трансмередиональных перелетах;

2. орбитальные и межпланетные космические полеты:

3. длительное рассогласование ритма «сон – бодрствование» при сменной и ночной работе;

4. изменение параметров действующих геофизических датчиков времени;

5. действие различных стресс-факторов.