Циркадный ритм: биологические часы организма¶

Циркадный ритм — это внутренний биологический ритм с периодом, приближающимся к 24 часам, регулирующий физиологические процессы и поведение живых организмов в соответствии со сменой дня и ночи. Термин происходит от латинского circa diem — «вокруг дня». Циркадные ритмы свойственны человеку, животным, растениям, грибам и даже некоторым бактериям, что свидетельствует об их эволюционной древности.

¶Механизм работы

¶Молекулярный механизм

В основе циркадных ритмов лежат так называемые гены часов. У млекопитающих ключевую роль играют гены Clock, Bmal1, Per (Per1, Per2, Per3) и Cry (Cry1, Cry2). Продукты генов Clock и Bmal1 образуют белковый комплекс, который активирует транскрипцию генов Per и Cry. Накапливающиеся белки PER и CRY формируют комплексы, проникающие в ядро и подавляющие активность комплекса CLOCK–BMAL1. По мере деградации белков PER и CRY торможение снимается, и цикл повторяется. Период полного цикла составляет около 24 часов, что обеспечивает предсказание суточных колебаний среды.

¶Центральный и периферические часы

У млекопитающих главным «часовым механизмом» является супрахиазматическое ядро (СХЯ) гипоталамуса — скопление примерно 20 000 нейронов, которое координирует работу периферических часов в печени, сердце, почках, жировой ткани и других органах. СХЯ получает световую информацию напрямую от сетчатки глаза через специальные меланопсинсодержащие ганглиозные клетки (ipRGC), минуя зрительный путь. Благодаря этому центральные часы синхронизируются (энтрайнируются) с реальным солнечным днём.

¶Физиологические проявления

Циркадные ритмы охватывают широкий спектр процессов:

• Гормональные: секреция мелатонина шишковидным телом нарастает в темноте и подавляется светом; кортизол достигает пика рано утром.
• Температура тела: минимальные значения регистрируются в ранние утренние часы, максимальные — вечером.
• Артериальное давление и частота сердечных сокращений: имеют выраженные суточные колебания.
• Когнитивные функции: внимание, скорость реакции и рабочая память достигают пика в дневные часы у «жаворонков» и в вечерние — у «сов».
• Метаболизм: чувствительность к инсулину и глюкозотолерантность снижаются вечером, что связано с эволюционной подготовкой организма к ночному голоданию.

¶Хронотип

Индивидуальные различия в фазе циркадного ритма определяются хронотипом. У подавляющего большинства людей период внутренних часов несколько превышает 24 часа и ежедневно корректируется утренним светом. «Жаворонки» (люди с ранней фазой) просыпаются и засыпают раньше, «совы» — позже. Хронотип меняется с возрастом: подростки смещаются к поздней фазе, а пожилые — к ранней.

¶Нарушения

Сбой циркадных ритмов возникает при сменном режиме работы, jet lag, недостатке светового дня в высоких широтах и при некоторых заболеваниях. К нарушениям сна, связанным с циркадными ритмами, относятся:

• синдром задержки фазы засыпания — невозможность заснуть в социально приемлемое время;
• синдром опережения фазы засыпания — раннее пробуждение;
• нерегулярный ритм сна и бодрствования;
• несоответствие 24-часовому ритму (редкая ненаследственная форма).

Хроническое нарушение циркадных ритмов эпидемиологически ассоциировано с повышенным риском сердечно-сосудистых заболеваний, ожирения, диабета 2 типа и некоторых онкологических заболеваний. Всемирная организация здравоохранения отнесла ночные смены работы к вероятным канцерогенам (группа 2A).

¶Исследования и открытия

Систематическое изучение циркадных ритмов началось в XX веке. Немецкий физиолог Юлиус Готфрид Трегер в 1920-х годах показал, что ритм фотосинтеза у водоросли Gonyaulax сохраняется в условиях постоянной темноты. В 1960-х годах американские учёные Р. Конвей, М. Хэлберг и Ч. Питтендриг ввели термин «циркадный». В 1971 году Рональд Конопка показал, что мутации в единственном гене period у дрозофилы изменяют период её поведенческих ритмов. В 2017 году Джеффри Холл, Майкл Розбаш и Майкл Янг были удостоены Нобелевской премии по физиологии или медицине «за открытия молекулярных механизмов, управляющих циркадным ритмом».

¶Влияние света и хронобиотики

Свет — главный Zeitgeber («времяобразователь»), синхронизирующий внутренние часы. Синий свет (длина волны около 480 нм) наиболее эффективно подавляет мелатонин через ipRGC. Это объясняет, почему использование экранов электронных устройств вечером смещает фазу засыпания. Для коррекции нарушений применяется светотерапия, приём мелатонина в определённое время суток, а также хронотерапия — строгое соблюдение графиков сна, питания и приёма лекарств с учётом циркадной фазы.

Источники:

• Dunlap J.C. Molecular bases of circadian clocks // Cell. 1999.
• Reppert S.M., Weaver D.R. Molecular analysis of mammalian circadian rhythms // Annual Review of Physiology. 2001.
• Roenneberg T. et al. Epidemiology of the human circadian clock // Current Sleep Medicine Reports. 2016.
• Nobel Assembly. The Nobel Prize in Physiology or Medicine 2017. Karolinska Institutet.
• Всемирная организация здравоохранения. Монографии по оценке канцерогенных рисков для человека.