Биоритмы человека и их значение

Биоритмы (биологические ритмы) — это периодически повторяющиеся изменения характера и интенсивности биологических процессов и явлений в живых организмах, обеспечивающие их адаптацию к циклическим изменениям окружающей среды. Способность к таким колебаниям является фундаментальным свойством живой материи и наблюдается на всех уровнях организации — от внутриклеточных реакций до сложных поведенческих актов у человека.

История изучения

Первые письменные упоминания о цикличности физиологических процессов встречаются ещё в трудах Аристотеля, который описывал периодичность сна и бодрствования. Однако научное изучение биоритмов началось лишь в XVIII—XIX веках. В 1729 году французский астроном Жан-Жак де Меран обнаружил, что листья мимозы продолжают ритмично раскрываться и складываться даже в полной темноте, что указывало на наличие внутреннего механизма отсчёта времени.

В XX веке исследования активизировались. В 1930-х годах советский биолог Александр Чижевский связал циклические процессы в биосфере с солнечной активностью. В 1960-х годах немецкий физик Юрген Ашофф и американский биолог Колин Питтендри заложили основы современной хронобиологии — науки, изучающей биологические ритмы. В 2017 году Нобелевская премия по физиологии и медицине была присуждена Майклу Розбашу, Джеффри Холлу и Майклу Янгу за открытие молекулярных механизмов, контролирующих циркадные ритмы.

Классификация биоритмов

Биоритмы классифицируют по продолжительности периода. Основные группы:

• Ультрадианные ритмы — период менее 20 часов. К ним относятся ритмы дыхания (около 16 в минуту), сердечных сокращений (60—80 в минуту), чередование фаз сна (90—120 минут).
• Циркадные (околосуточные) ритмы — период 20—28 часов. Это наиболее изученная группа, включающая ритмы сна и бодрствования, колебания температуры тела, артериального давления, гормональной активности.
• Инфрадианные ритмы — период более 28 часов. Сюда входят недельные, месячные (менструальный цикл у женщин) и сезонные ритмы.
• Цирканнуальные (окологодичные) ритмы — период около года. Проявляются в сезонных изменениях обмена веществ, иммунитета, эмоционального состояния.

Механизмы регуляции

Регуляция биоритмов осуществляется сложной иерархической системой. Центральным «водителем ритма» у млекопитающих является супрахиазматическое ядро гипоталамуса — небольшая структура мозга, содержащая около 20 тысяч нейронов. Оно получает сигналы от сетчатки глаза через ретиногипоталамический тракт и синхронизирует внутренние часы с внешним световым циклом.

На молекулярном уровне циркадный механизм основан на петлях отрицательной обратной связи. Белки CLOCK и BMAL1 активируют гены Period и Cryptochrome, продукты которых накапливаются в цитоплазме и, достигнув критической концентрации, подавляют активность CLOCK и BMAL1. Этот цикл занимает примерно 24 часа.

Помимо центрального водителя, существуют периферические осцилляторы в печени, сердце, кишечнике и других органах. Они способны поддерживать собственные ритмы, но в норме подчиняются сигналам супрахиазматического ядра. Ключевым синхронизирующим фактором является свет, однако на ритмы также влияют температура, приём пищи, физическая активность и социальные сигналы.

Физиологические проявления

Циркадные ритмы у человека охватывают практически все физиологические системы. Температура тела достигает минимума около 4—5 часов утра и максимума в 16—18 часов, с амплитудой колебаний около 0,5—1 °C. Секреция кортизола возрастает в предутренние часы, подготавливая организм к пробуждению. Мелатонин, напротив, вырабатывается в тёмное время суток и способствует засыпанию.

Артериальное давление имеет два суточных пика — утренний и вечерний. Пищеварительная активность, включая выработку ферментов и моторику кишечника, также подчинена циркадному ритму. Когнитивные функции — внимание, память, скорость реакции — достигают пика в утренние и дневные часы, хотя индивидуальные различия могут быть значительными.

Хронотипы

Индивидуальные особенности циркадных ритмов получили название хронотипов. Традиционно выделяют три основных типа:

• «Жаворонки» — люди с ранним пиком активности, легко просыпаются утром и рано ложатся спать. Составляют около 15—20% популяции.
• «Совы» — люди с поздним пиком активности, испытывающие трудности с утренним пробуждением и наиболее продуктивные в вечерние часы. Составляют около 20—25% популяции.
• «Голуби» (аритмики) — промежуточный тип, к которому относится большинство людей (около 55—60%).

Хронотип определяется генетически, в частности полиморфизмами генов PER3 и CLOCK, однако может частично меняться под влиянием возраста и образа жизни. У подростков наблюдается физиологический сдвиг хронотипа в сторону «сов», что связано с изменением гормонального фона.

Нарушения биоритмов

Рассогласование внутренних ритмов с внешними условиями называется десинхронозом. Наиболее распространённые формы:

• Джетлаг — состояние после быстрых перемещений через несколько часовых поясов. Сопровождается нарушением сна, снижением работоспособности, желудочно-кишечными расстройствами. Время адаптации составляет примерно один день на каждый пересечённый часовой пояс.
• Сменная работа — работа в ночные смены противоречит естественным циркадным ритмам и ассоциируется с повышенным риском сердечно-сосудистых заболеваний, метаболических нарушений и онкологических патологий.
• Социальный джетлаг — расхождение между социально обусловленным временем сна (например, рабочим графиком) и внутренним хронотипом. Особенно выражен у «сов», вынужденных рано вставать в будние дни.

Хронический десинхроноз связан с повышенным риском ожирения, сахарного диабета второго типа, депрессии и снижения иммунитета.

Практическое значение

Понимание биоритмов имеет широкое прикладное значение. В медицине хронобиологические принципы используются для оптимизации лекарственной терапии — хронотерапии. Установлено, что эффективность и токсичность многих препаратов зависят от времени их приёма. Например, антигипертензивные средства целесообразно принимать с учётом суточного профиля давления.

В спортивной физиологии учёт биоритмов позволяет планировать тренировочные нагрузки и соревнования с учётом пиков физической работоспособности. В авиации и космонавтике разрабатываются протоколы управления сменой часовых поясов для экипажей. Светотерапия используется для лечения сезонного аффективного расстройства и коррекции циркадных нарушений.

Популярная в 1970—1980-х годах теория «трёх биоритмов» (физического, эмоционального и интеллектуального) с периодами 23, 28 и 33 дня не получила научного подтверждения и считается псевдонаучной, так как не соответствует экспериментальным данным.

Источники

• Ашофф Ю. Биологические ритмы. — М.: Мир, 1984.
• Комаров Ф. И., Рапопорт С. И. Хронобиология и хрономедицина. — М.: Триада-Х, 2000.
• Ковальзон В. М. Основы сомнологии. — М.: Бином, 2011.
• Roenneberg T. Internal Time: Chronotypes, Social Jet Lag, and Why You're So Tired. — Harvard University Press, 2012.
• Нобелевская лекция М. Розбаша, Д. Холла и М. Янга, 2017.