БИОЛОГИЧЕСКИЕ РИТМЫ

Физиологические ритмы — циклические колебания в различных системах организма. Основными характеристиками физиол, ритмов являются: период, или частота, колебаний (число колебаний в единицу времени), их амплитуда (величина максимального отклонения показателя в ту или другую сторону от среднего значения или уровня колебаний), уровень, фаза и форма (рис. 1). Период колебаний определяется интервалом времени между соседними максимумами или минимумами показателя состояния организма. Фаза колебания характеризует состояние колебательного процесса в момент времени; измеряется в долях периода, а в случае синусоидальных колебаний — в угловых и дуговых единицах. По форме условно выделяют следующие виды физиол, колебаний: импульсные, синусоидальные, релаксационные, смешанные. Классификация физиол, ритмов по Халбергу (F. Halberg) основана на величине периода колебаний (табл.).

В отечественной литературе для обозначения околосуточных ритмов (с периодом 20—28 час.) иногда употребляется термин «циркадный».

Физиол, ритмы классифицируют также по их соотношению с периодическими изменениями среды обитания. Если период ритмов не совпадает с периодическими изменениями геофизических факторов, их обозначают как функциональные (напр., периодические изменения интенсивности транспирации и обмена у растений, ритм сердечных сокращений, дыхания, циклы двигательной активности — ходьба). Если период ритмов совпадает с периодами геофизических циклов, а также близок или кратен им, их называют адаптивными или экологическими. К ним относят суточные, приливные, лунные и сезонные ритмы. В биологии рассматриваются адаптивные ритмы с позиций общей адаптации организмов к среде обитания (см. Адаптация), а в физиологии — с точки зрения выявления внутренних механизмов такой адаптации и изучения динамики функционального состояния организмов на протяжении длительного периода времени.

По степени зависимости от внешних периодических процессов выделяют экзогенные, приобретенные (привычные) и эндогенные ритмы. Экзогенные ритмы обусловлены изменением факторов окружающей среды и могут исчезать при некоторых условиях (напр., анабиоз при понижении внешней температуры). Приобретенные ритмы возникают в процессе индивидуального развития по типу условного рефлекса (см.) и сохраняются в течение определенного времени в постоянных условиях (напр., обусловленные стандартным распорядком двигательной активности, изменения мышечной работоспособности в определенные часы суток). Эндогенные ритмы являются врожденными, сохраняются в постоянных условиях среды и передаются по наследству (большинство функциональных и циркадианных ритмов). Существуют также классификации физиол, ритмов по отдельным органам и системам (напр., ритмов, регистрируемых на ЭЭГ, сердечных сокращений).

Физиол, ритмы являются одной из основных форм проявления жизнедеятельности, наблюдаются у всех живых организмов и на всех уровнях организации живой материи — от субклеточных структур до целостного организма. Как правило, они не являются строго периодическими колебаниями: в определенных пределах меняется их период, амплитуда, форма, уровень. Примером их могут служить записи некоторых физиол, ритмов у человека (рис. 2).

Наиболее близки к периодическим колебаниям физиол, ритмы, возникающие при усвоении организмом ритмичных внешних сигналов (напр., световых мельканий), различные адаптивные ритмы. Физиол, ритмы характеризуются широким спектром частот; их период варьирует от десятитысячных долей секунды до нескольких лет. Во многих случаях один и тот же показатель одновременно участвует в нескольких видах колебательных изменений (напр., пульсовые, дыхательные и суточные изменения артериального давления, волны различной частоты на ЭЭГ). Ритмы, характерные для одной системы, могут передаваться другой (напр., изменения частоты сердечных сокращений в ритме дыхания). Физиол. ритмы могут быть замаскированы апериодическими колебаниями исследуемого показателя (шумами) или другими ритмическими колебаниями, их форма часто бывает сложной. В связи с этим разработаны специальные методы анализа, позволяющие выявлять и изучать скрытую периодичность физиол, процессов (гармонический анализ, автокорреляционный анализ, скользящее суммирование и др.). Большинство физиол, ритмов связано с чередованием различных функциональных состояний соответствующих систем (напр., сокращение и расслабление мускулатуры, сон и бодрствование). Поэтому в различные фазы колебательного процесса отмечается разная реакция на внешние воздействия: разное направление смещения фазы суточного цикла при действии датчика времени в различные его моменты, отсутствие реакции на раздражение в рефрактерный период и т. п.

Адаптивные физиол, ритмы выработались в процессе эволюции как форма приспособления организмов к циклически меняющимся условиям среды. Наиболее изученными являются околосуточные (циркадианные) ритмы. Для организма человека характерно повышение в дневные и и снижение в ночные часы физиол, функций, обеспечивающих его физическую активность (частоты сердечных сокращений, минутного объема крови, артериального давления, температуры тела, потребления кислорода, содержания сахара в крови, физической и умственной работоспособности и др.). В обычных условиях наблюдаются определенные соотношения между фазами отдельных околосуточных ритмов. Предполагают, что поддержание постоянства этих соотношений обеспечивает согласование функций организма во времени, обозначаемое как внутреннее согласование. Кроме того, под действием меняющихся с суточной периодичностью факторов среды (синхронизаторов, или датчиков времени) происходит внешнее согласование циркадианных ритмов. Различают первичные (имеющие основное значение) и вторичные (менее значимые) синхронизаторы. У животных и растений первичным синхронизатором служит, как правило, солнечный свет, у человека им становятся также социальные факторы.

В постоянных условиях, т. е. при максимально возможном исключении действия синхронизаторов на человека, обычно происходят изменения периода околосуточных колебаний, а в некоторых случаях наступает рассогласование (десинхронизация) околосуточных ритмов по частоте. Десинхронизация наблюдается при быстрых перелетах в другие поясные зоны, при работе в ночную смену, в полярных широтах. Повторные нарушения привычного суточного распорядка могут оказать неблагоприятное действие на здоровье человека. Десинхронизацию следует рассматривать как один из патогенетических механизмов неблагоприятного действия некоторых факторов среды и измененного режима жизнедеятельности на организм человека.

Сезонные колебания физиол, показателей у многих теплокровных в определенной мере повторяют суточные: в зимний период отмечается понижение обмена и двигательной активности, в весенне-летний — активизация физиол, процессов.

Динамика околосуточных физиол, ритмов у человека и высших животных обусловлена не только врожденными механизмами, но и выработанным в течение жизни суточным стереотипом деятельности. Данные о возможности рассогласования по частоте отдельных циркадианных ритмов заставляют предположить существование целого ряда относительно независимых осцилляторов, каждый из которых регулирует ритм определенной, широко разветвленной функциональной системы. Предполагается, что в многоклеточных организмах центральные регуляторы не возбуждают колебаний в периферических тканях, а только синхронизируют присущие каждой клетке организма циркадианные ритмы по частоте и фазе. По мнению большинства исследователей, регуляция физиол, ритмов у высших животных и человека осуществляется в основном гипоталамо-гипофизарной системой. По нек-рым данным, сезонные и другие адаптивные виды ритмов также не являются простой реакцией на циклические изменения среды обитания, а характеризуются определенной эндогенностью. Учет физиол, ритмов необходим при составлении рационального режима труда и отдыха человека, при выборе времени приема лекарств, особенно если речь идет о гормональных препаратах. Физиол, ритмы имеют и определенное диагностическое значение в клинике, физиологии труда и спортивной медицине: при различных заболеваниях и переутомлении отмечается их нарушение.

См. также Саморегуляция физиологических функций.

Значение биологических ритмов и космическом полете

В условиях космоса под влиянием физических и социальных датчиков времени, которые существенно отличаются от земных (по интенсивности, продолжительности воздействия и т. д.), происходит нарушение привычного и формирование нового Б. р. К числу основных физических датчиков времени относятся режим освещения и температуры среды в кабине корабля, шумовой фактор. Социальными датчиками времени являются особенности режима труда и отдыха космонавтов: ритм сна и бодрствования, распорядок деятельности в период бодрствования (время для личной гигиены, физических упражнений, приема пищи, радио- и телесеансов, выполнения профессиональных заданий).

Наиболее существенное влияние на перестройку Б. р. в космосе оказывает характер режима труда и отдыха. В полете режим космонавтов, как правило, существенно отличается от привычного земного. Создание оптимального режима жизни человека в космосе возможно при максимально полном учете следующих основных условий:

1) отсутствие привычных геофизических датчиков времени (смена дня и ночи, суточные колебания температуры и влажности окружающей среды, барометрическое давление); 2) смещения суточного цикла — стартовые смещения, возникающие в начале полета (до 12 час.), прецессионные смещения, обусловленные перемещением оси вращения космического корабля относительно Земли (на 90 мин. один раз в 4—6 сут.), орбитальные смещения, определяемые постепенным снижением орбиты (на 5—25 мин. в сутки); 3) небольшой состав экипажа и необходимость повахтенного дежурства (т. е. изменение для каждого члена экипажа режима сна и бодрствования); 4) напряженность трудового процесса. Длительное (более 3 сут.) изменение привычного динамического стереотипа жизнедеятельности может привести к десинхронозу (изменение реактивности организма, появление различных психических и физиол, сдвигов в результате рассогласования суточного ритма функциональных систем организма и ритма датчиков времени). При десинхронозе типичны жалобы на плохой сон, уменьшение аппетита, раздражительность. Отмечается снижение работоспособности, рассогласование по фазе с датчиками времени частоты сердечных сокращений и дыхания, кровяного давления, температуры тела и других функций. Степень выраженности десинхроноза зависит прежде всего от индивидуальных особенностей организма, его состояния, возраста, характера датчиков времени и степени синхронности с ними суточного цикла организма.

Адаптация человека к новой системе датчиков времени, перестройка Б. р. происходят постепенно, причем различные функции организма перестраиваются на новый ритм в разные сроки: динамика высших корковых функций — в течение 1—2 сут., частота сердечных сокращений и температура тела — в течение 5—7 сут., умственная работоспособность — в течение 3 —10 сут. Новый или частично измененный ритм долго остается непрочным и довольно быстро может быть разрушен. В процессе перестройки суточного ритма можно выделить 3 стадии: 1) скрытая стадия (сохранение прежнего стереотипа в течение 1—3 сут.); 2) стадия видимой перестройки (2—9 сут.); 3) стадия глубокой перестройки (упрочение нового стереотипа). Особенности приспособления космонавтов к измененному суточному режиму, а следовательно, и формирование нового Б. р. определяются степенью отклонения нового режима от привычного распорядка дня, способностью организма космонавтов к перестройке на новый суточный ритм и другими факторами.

Для достижения более быстрого и прочного формирования новых Б. р., хорошего самочувствия космонавтов и высокой работоспособности при полете необходимо по возможности полное соответствие ритма сна и бодрствования естественным суточным ритмам организма, ритмичность периодов сна и бодрствования, физиологически оптимальное распределение времени на выполнение основных процедур распорядка дня, психофизиологически обоснованное распределение видов деятельности (с учетом их напряженности, продолжительности и т. д.), предельно точное соблюдение режима, «расшатывание» привычного режима жизнедеятельности до перехода к новому распорядку суток и «прививка» нового режима, искусственное стимулирование адаптации организма к новому режиму (при помощи фармакол, средств, путем активной саморегуляции функций и т. д.).

Точные сведения о протекании Б. р. в организме человека необходимы для правильной диагностики, терапии л профилактики многих заболеваний. Без учета Б. р. невозможно методически правильное проведение научных исследований в биологии и медицине. Б. р. привлекают к себе все возрастающее внимание физиологов, психологов, гигиенистов, клиницистов различных профилей и других специалистов.

Существуют три гипотезы о возникновении Б. р. (рассматривается в первую очередь важнейший биологический ритм — циркадианный, пли околосуточный, ритм). Большинство исследователей указывает на возможность эндогенного происхождения Б. р. в процессе эволюционного развития — как результат естественного приспособления организма к изменяющимся условиям окружающей среды [Бюннинг (E. Bunning), 1961; Ашофф (J. Asclioff), 1965; Б. С. Алякринский, 1975]. По другой гипотезе циркадианный ритм является «результирующей величиной» более коротких ритмов отдельных органов [Золлбергер (A. Sollberger), 1969]. Третья гипотеза рассматривает ритмические колебания как результат непрерывного воздействия космических и гео-физ. факторов проникающего характера [Браун (F. A. Brown), 1964].

В 1960 г. был созван Первый международный симпозиум по биологическим ритмам (Колд-Спринг-Харбор, США). Международное об-во по изучению Б. р. было создано еще в 1937 г.; вместе с тем о существовании Б. р. стало известно уже в 1929 г., когда франц. астроном де Меран обнаружил, что листья растений в течение суток совершают периодические движения. Основные проблемы биоритмологии освещают «Journal Interdisciplinary Circle Research», «International Journal of Chronobiology» и другие издания.

Наличие Б. р. (или колебательных процессов) обеспечивает самообновление и самовоспроизводство организма как целого в конкретных условиях среды. Ход реакций при этом должен меняться по отношению к внешним воздействиям не по жесткой программе, а по программе, обеспечивающей в каждый данный момент оптимальное отношение организма с окружающей средой. Именно благодаря наличию колебаний изменения биол, процессов являются преходящими. При отсутствии колебательного процесса изменения становятся необратимыми и при достижении определенного предела нарушается равновесие между организмом и окружающей средой, что в конечном итоге приводит к дезорганизации функций и гибели организма. Колебания способствуют возвращению организма к исходному состоянию, позволяя осуществить новый ответ на внешние воздействия.

Ритмические изменения исходного уровня функций обеспечивают различие в реакции организма на одно и то же воздействие в зависимости от данных условий окружающей среды.

Долгое время считали, что эндогенный компонент Б. р. развивается у человека в течение первого года жизни. Исследования последних лет показали, что каждый ребенок от момента рождения обладает собственным циркадианным ритмом с периодом от 23 до 25 час. Синхронизация ритма с 24-часовыми сутками наступает примерно между 6-й и 16-й нед. после рождения; вначале возникают ультрасуточные ритмы, которые затем переходят в суточные. Электрическое сопротивление кожи уже на 1-й неделе проявляет суточный ритм. В первые дни жизни появляется низкоамплитудный ритм колебаний температуры тела и содержания свободных аминокислот в сыворотке крови. Становление каждого ритма подчиняется закону «минимального обеспечения функций» — в первую очередь консолидируются ритмы тех функций, которые имеют большее значение для поддержания жизни ребенка (см. Системогенез). Поэтому между разными функциями одного и того же органа имеется определенное рассогласование — так наз. возрастная диссинхронизация, к-рая постепенно исчезает по мере роста и развития организма. Возрастает и амплитуда самих ритмов; в препубертатном и пубертатном периодах она превышает оптимальные значения за счет перестройки соотношений нейрогуморальных и эндокринных компонентов процессов регуляции в этом возрасте и проявляется в лабильности вегетативных функций, колебании работоспособности и т. п.

Существует точка зрения, что старение организма представляет собой постепенную утрату ритма, причем как в становлении ритмов, так и при их утрате (угасании) наблюдается выраженный гетерохронизм.

Изучение Б. р. позволило сформулировать новое представление о норме в медицине, к-рое предполагает не только существование констант физиол, процессов в утренние часы (когда проводят основные клин, исследования), но и их ритмические изменения на протяжении суток. Так, концентрация 17-гидроксикортикостероидов в плазме крови, нормальная для утра, вечером указывает на стрессовое состояние организма. С другой стороны, понятие о норме учитывает наличие и более длительных ритмов: напр., уровень 200—210 мг% холестерина в крови осенью и зимой является нормальным, а весной и летом превышающим норму (Н. П. Голиков, П. П. Голиков, 1973).

В соответствии с изменившимся представлением о норме, биоритмологический подход нашел применение и в диагностике. Напр., предпатол. и патол, состояние можно установить по нарушению ритма изменения тех или иных показателей или функций. В частности, ритм температуры тела постоянно учитывается в клинике как при диагностике заболеваний, так и при оценке состояния больного в процессе лечения; у ослабленных и часто болеющих школьников наблюдается инверсия ритма температуры тела. При острых респираторных заболеваниях суточный ритм щелочной фосфатазы и сукцинатдегидрогеназы в лимфоцитах периферической крови исчезает, у реконвалесцентов он извращен, а с выздоровлением нормализуется по амплитуде и по фазе; на этом основании Р. П. Нарциссов (1970) предлагает по восстановлению ритма активности ферментов лейкоцитов крови судить об эффективности проведенного лечения.

Большое значение в мед. практике имеет учет колебаний физиол, функций организма человека. Так, для больных сердечно-сосудистыми заболеваниями (стенокардия, гипертоническая болезнь и др.) особенно неблагоприятным периодом является ночное время, когда увеличивается частота приступов; изменение уровня протромбина и других компонентов свертывающей системы крови, а также сужение коронарных сосудов ночью приводят к большей частоте инфарктов миокарда в это время.

Лечение гормональными препаратами также должно строиться в соответствии с Б. р. Имитация физиол, ритма продукции кортикостероидов (3/5 суточной дозы утром, остальная часть через каждые 3 часа с последним приемом в 17 час.) позволяет получить большую эффективность гормональной терапии и уменьшить частоту побочных эффектов и осложнений. Антигистаминный эффект некоторых лекарственных веществ наиболее выражен в утренние часы и минимален в позднее вечернее время. Применение большинства лекарственных препаратов у женщин должно быть согласовано с течением овариально-менструального цикла.

Практическое использование биоритмологических данных возможно лишь при учете индивидуальных особенностей Б. р. Индивидуальные «фазовые карты», несмотря на интраиндивидуальные различия (различия день ото дня), весьма сходны. У разных лиц фазы различных взаимосвязанных функций не обязательно должны быть идентичными; фаза одной и той же функции может варьировать у различных индивидов вплоть до инверсии. Примером служит различие в работоспособности у людей «утренних» и «вечерних» типов: одни лица предпочитают работать в ранние утренние, другие в вечерние и даже ночные часы суток, третьи не ощущают ритмических колебаний работоспособности. Исследования показали, что имеются различия не только в работоспособности, но и в состоянии вегетативных функций. Есть данные о нек-ром различии крайних биоритмических типов по особенностям личности, по ритму питания и заболеваемости, что позволяет предположить у них различия в ответных реакциях на внешнее раздражение. В связи с этим требуется особое внимание к организации режима труда и отдыха людей, относящихся к различным биоритмическим типам. Поэтому заслуживает внимания примененный в некоторых странах гибкий график работы, или «флекс-тайм» [Рейнмёллер-Шрек (Т. Reinmoller-Schreck), 1971], в основе к-рого лежит уменьшение числа обязательных присутственных часов и увеличение количества часов, которые человек может отработать в любое удобное для себя время.

Считается, что чем полнее используется в организации труда «принцип ритма», т. е. соответствие акрофазы (наивысшего уровня) основных физиол, функций наиболее интенсивной деятельности, тем успешнее протекает вся профессиональная деятельность человека. Как показывают исследования, работоспособность человека в течение периода бодрствования чаще всего изменяется по двугорбой кривой, получившей название «физиологическая кривая работоспособности». На ней отчетливо прослеживаются два главных периода (пика) высокой работоспособности, совпадающих по времени с периодами высокого уровня физиол, функций — между 10 и 12 час. и между 16 и 18 час.; ок. 14 час., как правило, наблюдается падение работоспособности. Считается, что время суток больше сказывается при работе в вынужденном темпе, чем в тех случаях, когда допускается свободный ритм. В ночные часы работоспособность человека гораздо ниже, чем днем. Особенно неблагоприятным периодом является промежуток времени от 1 до 3—4 час. ночи: резко возрастает количество несчастных случаев на производстве, обусловленных «человеческим фактором», число производственных ошибок, быстрее наступает утомление.

Большинство исследователей считает, что ночная работа представляет собой значительную биол, нагрузку для человека. Однако ритмические колебания работоспособности менее стереотипны и более изменчивы, чем ритмы вегетативных функций, и длительная работа в ночную смену позволяет за счет адаптационных возможностей организма сформировать новый суточный стереотип. Поэтому так наз. шпрингеровская смена (12-часовая рабочая смена и 24-часовой отдых) менее благоприятна для организма, чем многонедельная работа в ночную смену. При организации сменного труда необходимо, чтобы перевод рабочих на новую смену производился или через короткие, или через продолжительные периоды.

Длительные циклические процессы. К ним условно можно отнести все ритмы низкой частоты. В филогенетическом развитии организма длительные циклические процессы связаны с процессами размножения, способствуя процветанию вида. У животных синхронизация этих ритмов обеспечивает способность особей к спариванию в определенные периоды времени года, что создает оптимальные условия для продолжения вида.

Околонедельный ритм, который, строго говоря, должен быть отнесен к социально вызванному параритму, отличается низкой амплитудой и проявляется в колебаниях работоспособности, экскреции с мочой 17-кетостероидов и др.

Околомесячный ритм у женщин чаще всего связан с овариально-менструальным циклом; с ним связаны периодические изменения продолжительности сна, эмоциональная лабильность и т. п. Следует подчеркнуть, что экстрагенитальные циклы определяют большую устойчивость женского организма, т. к. колебательный режим тренирует все физиол, системы и функции.

Расчетные ритмы

В 60-е годы нынешнего столетия широкую известность получили так наз. расчетные ритмы: 23-дневный (физический), 28-дневный (эмоциональный) и 33-дневный (интеллектуальный) ритм. По утверждению авторов теории эти ритмы «возникают» с момента рождения и повторяются с удивительным постоянством всю жизнь. Первая половина периода каждого ритма характеризуется благоприятным состоянием организма, а вторая — ухудшением физ., эмоционального и интеллектуального состояния. Однако наибольшую опасность для человека представляют «критические дни» или те моменты, когда воображаемые кривые (синусоиды) пересекают нулевую линию. Если учитывать эти ритмы, то можно легко предупреждать несчастные случаи, болезни и т. п. Теория расчетных ритмов, несмотря на отсутствие научно обоснованных рекомендаций, привлекла к себе внимание, а использование этой теории иногда приносило практические успехи за счет влияния психол, факторов (большая осторожность, уверенность в успехе и т. п.). Основной недостаток теории расчетных ритмов — утверждение абсолютной стабильности и одновременности запуска всех ритмов; он противоречит известным данным, говорящим о том, что основным принципом развития организма является гетерохронизм, что автономность каждого из трех ритмов может привести лишь к постоянному десинхронозу и что физ., эмоциональное и интеллектуальное состояния тесно и неразрывно взаимосвязаны.

Сезонные ритмы

Многочисленными исследованиями установлена сезонная ритмичность психической и мышечной возбудимости, обмена веществ, двигательной активности и многих других показателей. Сезонные ритмы играют существенную роль в формировании и течении патол, процесса у человека. Известна сезонная периодичность многих заболеваний (язвенная болезнь желудка и двенадцатиперстной кишки, аппендицит, ревматизм и др.). Имеется сезонная цикличность в заболевании лейкозами, в обострении гипертонической болезни, учащении приступов стенокардии и инфаркта миокарда и др. В экспериментах на животных показана сезонная ритмичность в скорости заживления ран. По статистике сезонный ритм прослеживается в рождаемости: максимальное количество родов происходит в марте — мае, а минимальное — в ноябре — феврале (Н. Г. Гулюк, 1961). Существуют заболевания, в развитии которых сезонный фактор играет основную роль. Напр., у эскимосов описана так наз. арктическая истерия, в основе к-рой лежит усиленное выделение из организма кальция в зимнее время (в 8—10 раз больше, чем летом).

Большое значение сезонному ритму придается в курортологии. Смена климатических поясов должна подчиняться общему правилу: предпочтительнее ускорение наступающего сезона, чем возвращение к минувшему.

Существуют ритмы с более длительным периодом — двух-, трехлетние циклы. Это прежде всего стадии интенсивного роста в детском и подростковом возрасте. Трехлетняя периодичность отмечена в течении туберкулезного процесса — через 4, 7, 10 и 13 лет от начала заболевания чаще всего возникают рецидивы и наблюдаются выраженные реакции Манту.

Известна 5- 6- и 11-летняя периодичность возникновения некоторых заболеваний, к-рую в определенной степени связывают с влиянием гео-, гелиофизических факторов.

Изменения, происходящие в окружающей среде, так же как и процессы в организме человека, строго ритмичны. Различные параметры колеблются с периодом от долей секунд до тысячи лет. Такие колебания в окружающей среде нередко совпадают с колебаниями процессов в организме человека, врожденные Б. р. к-рого позволяют ему адекватно реагировать на внешние стимулы.

К вопросу о биоритмологии и хрономедицине

(дополнение к одноименной статье, том 29)

Периодичность биологических процессов (явлений) впервые была обнаружена в начале 18 в. и названа впоследствии биологическим ритмом. Учение о биологических ритмах получило название биоритмологии. Биоритмология представляет собой часть хронобиологии, основной задачей к-рой является изучение закономерностей течения тех или иных процессов в живых системах во времени. Хронобиология использует методы и представления различных естественнонаучных дисциплин (молекулярной биологии, биохимии, биофизики, генетики, клеточной биологии, физиологии, морфологии и др.).

Биологический ритм и его структура

Биологический ритм (биоритм) представляет собой колебательный процесс, заключающийся в чередовании каких-либо биологических явлений (процессов) через определенные промежутки времени, к-рые обозначаются как период биоритма. К числу основных параметров биологического ритма относятся амплитуда, частота, среднепериодический уровень (мезор) биологического процесса, положение максимальной величины функции (акрофаза) на протяжении периода ритма. Величину периода ритма можно использовать в качестве естественной единицы (меры) биологического времени. Число циклов колебаний, совершающихся в единицу времени, составляет частоту биоритма. Амплитуда биоритма отражает размах предельных значений колебаний биологического процесса.

В последние годы в биологии и медицине стали использовать понятие «хронобиологическая норма», к-рая характеризуется значениями среднепериодической величины биологического процесса, вычисляемой путем его измерения в различные временные отрезки периода биоритма. Среднепериодическое значение — единственно возможный объективный показатель величины функции, учитывающий ее изменения во времени на протяжении периода колебания биологического процесса (функции). Обнаружено, что в различные отрезки времени периода ритма какая-либо функция в ответ на то или иное воздействие может реагировать либо усилением, либо ослаблением биологического процесса или вообще не отвечать на воздействие. Отрезок периода ритма, на протяжении к-рого функция способна реагировать на воздействие, называется временем потенциальной готовности. Результатом воздействия на биоритм в отрезке времени потенциальной готовности являются сдвиг фазы ритма, а также изменение амплитуды ритма. Значение времени потенциальной готовности чрезвычайно важно для понимания хронобиологических закономерностей действия лекарственных средств на функции организма, а также для осуществления возможности регуляции биоритмов.

Приведенные сведения по структуре биоритма относятся преимущественно к суточным ритмам, период к-рых равен 24 час. Видоизменением суточных биоритмов являются так наз. циркадианные (околосуточные) ритмы с периодом от 20 до 28 час. Эти ритмы нередко обозначаются как ритмы со свободным периодом, поскольку они сохраняются при помещении организма в постоянные условия окружающей среды (напр., постоянная темнота, освещение и т. д.). Для целого ряда функций организма человека характерно увеличение длительности свободного периода ритма сверх 24 час.

В организме растений и животных, а также человека регистрируются биологические ритмы, периоды к-рых отличаются от суточных. Так, известны месячные, сезонные и годовые биоритмы. Кроме того, полагают, что живым системам свойствен 11-годичный биоритм, соответствующий циклу солнечной активности. Обнаружены также приливно-отливные ритмы с периодом порядка 1,5 часа (так наз. ультрадианные ритмы), ритмы, период к-рых находится между 6 и 8 часами, околочасовые ритмы с периодом от 40 до 100 мин. и другие. В организме регистрируются ритмы с еще более высокой частотой (напр., колебания биоэлектрической активности мозга или сердечной мышцы).

Всем биоритмам, период к-рых равен или превышает 24 час., соответствуют аналогичные по длительности колебательные процессы в природе (суточный цикл освещенности, смена фаз луны, сезонов года и т. д.). Как полагают, циклические изменения условий окружающей среды играют роль факторов, к к-рым приспосабливаются биологические колебания в организме. Эти факторы получили общее название датчиков (или указателей) времени биоритмов организма.

Иногда выделяют 23-дневный (физический), 28-дневный (эмоциональный, или психический) и 33-дневный (интеллектуальный) биоритмы, с к-рыми связывают так наз. критические дни, в к-рые наиболее вероятны травмы, несчастные случаи, недомогания и т. д. Однако ряд исследователей сомневаются в существовании этих ритмов, за исключением 28-дневного биоритма, к-рый коррелирует с циклом фаз Луны. Последние исследования не подтвердили совпадения частоты различных происшествий с критическими днями.

Исследователи столкнулись с тем, что одна и та же функция организма одновременно может изменяться в режиме биоритмов с разным периодом (околочасовой, ультрадианный, суточный, месячный, сезонный). Указанный феномен до настоящего времени удовлетворительного объяснения не получил. Существенное значение для изучения различных биоритмов имеет создание адекватных методов их исследования и моделирования. При обработке данных по биоритмам широкое распространение получил метод "косинор — анализ", дающий возможность статистически определять положение акрофазы (наивысшего уровня) и величину амплитуды ритма. Однако следует учитывать, что применение данного метода допустимо лишь при колебаниях синусоидальной формы, тогда как большинство биологических колебаний имеет более сложный характер. Для анализа параметров биоритмов предлагается немало вычислительных методов, однако общепринятым комплексом методов мы пока не располагаем.

Проблема изучения конкретных механизмов формирования биоритмов представляет собой одну из наиболее сложных проблем хронобиологии. Еще недавно считалось, что биоритмы являются результатом колебаний внешних по отношению к организму факторов. Однако за последние годы было получено много данных, свидетельствующих о влиянии генома организма на его биоритмы. В этом направлении особенно детально были изучены грибок нейроспора и плодовая мушка дрозофила, в хромосомах к-рых удалось выявить участки, ответственные за нек-рые параметры биоритмов. Есть сведения о наличии генетической регуляции биоритмов и у человека. Полученные данные подтверждают, что биологическая ритмичность представляет собой эндогенное свойство бносистем, к-рое, наряду с другими их свойствами, находится под генетическим контролем.

Любой организм характеризуется огромным числом биоритмов. Принято считать, что в нормальных условиях различные биоритмы в организме определяют возникновение целостной ритмической организации. Однако, что собой представляет эта организация, во многом остается неясным. Акрофазы различных суточных ритмов, напр., не располагаются в одном и том же временном интервале суток. Расстояние между ними обозначается как сдвиг фаз, к-рый для разных биоритмов может быть большим или меньшим. В том случае, когда величина сдвига фаз касается процессов, образующих единую последовательность событий, можно говорить о нарушениях временной согласованности биоритмов. Очевидно, что понятие ритмической организации должно основываться на системном подходе в анализе биоритмов. Совокупность всех ритмических процессов биологической системы, взаимодействующих и согласованных во времени между собой и с изменяющимися условиями среды, составляет ее временную организацию. Отдельно взятый биологический ритм надо рассматривать как элемент временной организации, который совместно и в определенных взаимоотношениях с другими такими элементами образует временную организацию, неравнозначную простой сумме составляющих ее элементов.

В эволюционном развитии временной организации биосистем можно выделить следующие основные этапы: 1) становление временной упорядоченности химических (автоколебательных) процессов в пред-биологических и протобиологических системах; 2) формирование циклов и временной организации химических и метаболических процессов в этих системах на основе механизмов внутренней регуляции и взаимодействия с периодическими изменениями окружающей среды; 3) возникновение и закрепление путем естественного отбора биологических ритмов с различными параметрами, способствующими повышению адаптивности биосистем; 4) совершенствование механизмов регуляции временной организации биосистем и ее усложнение в ходе эволюции.

Следует отметить также разнородность функций биологических ритмов, на что обращали внимание многие исследователи. Так, Б. С. Алякринский (1979) в иерархии биологических ритмов выделяет инертные и лабильные звенья по отношению к действию внешних периодически колеблющихся факторов. По мнению

С. И. Степановой (1980), среди биологических ритмов имеются ритмы-водители и ритмы-ведомые, а совершенство организации ритмической системы обеспечивается определенным соотношением лабильности ритмов-водителей и константности ритмов-ведомых.

В 1980 г. Ю. А. Романовым была предложена общая структура временной организации биосистемы, состоящая из следующих основных частей: 1) часть, связывающая временную организацию биосистемы с другими биосистемами и с окружающей средой; 2) часть, регулирующая временную организацию; 3) часть, воспринимающая сигналы регуляции; 4) рабочая (аффекторная) часть, к-рой выражается конечный результат деятельности или поведения системы во времени.

Каждая перечисленная часть составляется тем или иным количеством биоритмов, но их взаимодействие в пределах этой части носит такой характер, что он определяет функциональное назначение данной части в общей структуре временной организации.

Вопросы общей структуры временной организации применительно к конкретным физиологическим системам изучены недостаточно. Хорошо исследованы, напр., биологические ритмы гипоталамо-гипофизарно-надпочечниковой системы. Установлено, в частности, что у крыс содержание АКТГ-рилизинг-фактора в гипоталамусе снижается во второй половине светового периода суток; ритмическое возрастание концентрации АКТГ в сыворотке крови крыс происходит в вечернее время суток. Это, в свою очередь, сопровождается увеличением через нек-рое время уровня гормонов коры надпочечников в крови. Известно, что нарушения биоритмов секреции АКТГ и кортикостероидных гормонов влияют на биологические ритмы деятельности шишковидного тела. В свою очередь, изменения биоритмов шишковидного тела оказывают модулирующее действие на биоритмы функций гипофиза и коры надпочечников. Следовательно, гипоталамо-гипофизарно-надпочечниковая система реагирует на сдвиги в периодике внешних факторов, в чем, по-видимому, существенное участие принимает шишковидное тело. Поэтому можно считать, что во временной организации рассматриваемой системы имеется пока еще неизвестный механизм, осуществляющий ее связь с окружающей средой. Регулирует временную организацию данной системы в организме, очевидно, гипоталамус (та его область, в к-рой вырабатывается АКТГ-рилизинг-фактор), а также аденогипофиз, продуцирующий АКТГ. О генетической регуляции биологических ритмов гипоталамо-гипофизарно-надпочечниковой системы практически ничего не известно. Клетки коры надпочечников воспринимают действие АКТГ посредством своего рецепторного аппарата. И хотя сведения о биоритмах этого аппарата отсутствуют, данные о ритмических изменениях числа «работающих» рецепторов (напр., гормонов щитовидной железы и половых желез) в клетках печени крыс и мышей имеются. В связи с этим можно предположить, что подобная закономерность характерна и для клеточных рецепторов коры надпочечников.

Медицинские аспекты хронобиологии

В последние годы резко возросло число исследований в области хронобиологии человека, а также попыток осуществления профилактических, диагностических и лечебных мероприятий с учетом биологических ритмов организма человека. Одной из наиболее актуальных проблем в этой области является разработка представлений о хронобиологической норме. Это понятие отражает совокупность морфофизиологических показателей организма человека, характеризующих состояние организма в целом и его отдельных систем на основе изучения параметров биологических ритмов и динамики их изменений. Надо подчеркнуть, что в содержание понятия хронобиологической нормы входят не только параметры биоритмологического статуса организма в норме, но и наиболее общие изменения этих параметров при действии каких-либо химических и физических факторов.

Уже давно было замечено, что одни и те же биологические ритмы имеют различную динамику у разных людей, напр, суточный ритм чередования сна и бодрствования. У одних людей начало бодрствования приходится на ранние утренние часы и заканчивается рано вечером. У других, напротив, активная работа начинается позже, но они могут эффективно трудиться до глубокой ночи. Различия в положении акрофазы в течение суток у разных людей отмечены и при других биологических ритмах. Исследования в этом направлении привели к возникновению представления о хронотипах человека, что чрезвычайно важно для установления физиологического соответствия конкретного человека тому или другому виду труда (профотбор для сменной, экспедиционно-вахтовой работы, для участия в работе небольшого коллектива в ограниченном пространстве и т. д.).

С этих позиций необходим пересмотр задач хронопатологии, занимающейся изучением отклонений отдельных биоритмов от нормального течения и роли этих нарушений в развитии заболеваний. Знание общей структуры временной организации биосистем позволит наметить новые подходы в изучении роли биологических ритмов в развитии тех или иных патологических процессов.

Возможны нарушения любого параметра биологического ритма: амплитуды, частоты, положения акрофазы, величины среднепериодического уровня. Изменения одного или нескольких перечисленных показателей в условиях патологии могут носить характер обратимой реакции с возможностью нормализации в последующем, либо быть необратимыми. В соответствии с этим оценка и меры коррекции отклонений биоритмов должны быть разными. Основываясь на постоянном взаимодействии биологических ритмов, можно утверждать, что любое нарушение, возникающее в каком-либо биоритме, вызовет изменения параметров других биоритмов (по крайней мере, относящихся к одной и той же функциональной системе), т. е. нарушение будет носить системный характер. При анализе патологических изменений биологических ритмов на системном уровне в рамках их временной организации необходимо знать их локализацию, распространенность изменений биоритмов в общей структуре временной организации и в какой ее части нарушения биологических ритмов первичны, а в какой вторичны. Изложенный подход к анализу состояния биоритмов организма в условиях патологии можно принять за основу разработки хронобиологических тестов диагностики заболеваний.

Среди различных форм нарушений биоритмов наиболее широко известен так наз. десинхроноз, означающий нарушение временной координации ритмов функций биологической системы. Выделяют внешний и внутренний десинхронозы. Первый проявляется возникновением фазового рассогласования между ритмами системы и периодическими изменениями окружающей среды (преимущественно временными). Второй заключается в ослаблении или отсутствии временной координации между ритмами внутри биологической системы.

Изучение механизмов, закономерностей и условий возникновения де-синхроноза имеет большое значение в экспериментальной и клинической медицине, при организации режимов труда и отдыха людей разных профессий, проведении профилактических мероприятий с целью сохранения здоровья человека, в космической биологии и медицине. Разработка этих вопросов тесно связана с выяснением механизмов, степени изменчивости или устойчивости биологических ритмов, а также закономерностей взаимодействия между ними.

Одним из важных открытий хронобиологии было обнаружение ритмов изменения чувствительности к действию физических и химических факторов. Накоплен большой фактический материал о зависимости действия лекарственных средств на организм от фазы биологического ритма. Изучение этого вопроса составляет одну из задач хронофармакологии.

На основе экспериментальных данных о хроночувствительности организма к токсическому и лечебному действию лекарственных средств предложено # понятие терапевтического индекса, величина к-рого прямо пропорциональна лечебному эффекту и обратно пропорциональна токсическому воздействию. Наиболее высокий терапевтический индекс наблюдается в случае противоположных на протяжении суток изменений лечебного и токсического влияния препарата при его назначении. Проведен эксперимент, в к-ром мышам с лейкозом вводили цитостати-ческий препарат цитозинарабинозид с неравномерным распределением дозы на протяжении суток (наименьшую дозу давали в часы наибольшей чувствительности клеток опухоли к препарату и наибольшего его токсического действия на организм, а наибольшую дозу — в часы повышенной устойчивости опухоли и сниженной токсичности цитостатика). При лечении по этой схеме удалось добиться значительного увеличения продолжительности жизни животных.

Имеющиеся данные свидетельствуют о том, что динамика биологических ритмов чувствительности организма к тем или иным факторам находится в тесной зависимости от временной организации той системы организма, к-рая является мишенью для действия применяемого вещества. Напр., суточный ритм радиочувствительности животных тесно связан с ритмами размножения клеток в кроветворной системе и в желудочно-кишечном тракте, к-рые, как известно, прежде всего поражаются ионизирующим излучением. Действие гормонов на размножение клеток также связано с фазами ритма пролиферации. Более того, было обнаружено, что эффект действия гормонов зависит еще и от того, в какой фазе собственного ритма их секреции (или активности) осуществляется воздействие. Получены данные, имеющие большое значение для понимания хронобиологических закономерностей действия биологически активных веществ на функции организма. Было об-нарушено совпадение во времени активных фаз суточных ритмов чувствительности клеток асцитной опухоли Эрлиха к действию кейлонов из этой опухоли на деление клеток и продукции опухолью кейлонов. Именно такое соотношение фаз указанных биоритмов лежит в основе формирования суточного ритма деления клеток опухоли. Биологический смысл обнаруженного явления заключается в повышении эффективности регуляции размножения клеток ткани как путем увеличения концентрации кейлонов, так и чувствительности клеток к ним.

Т. о., задачей хронофармакологип является, с одной стороны, установление наиболее подходящего отрезка времени во временной организации биосистемы для получения желаемого эффекта от применения лекарственного средства, а с другой стороны, изучение влияния лекарственного средства на состояние временной организации самой биосистемы.

Экспериментальная хронофармакология способствует развитию хро-нофармако логических исследований в клинической медицине и разработке схем применения лекарственных средств при лечении заболеваний человека с учетом биоритмов его организма. Это направление получило название хрономедицины, а использование лекарственных средств в соответствии с динамикой биоритмов больного человека — хронотерапии.

Одним из первых принципов, положенных в основу проведения хро-нотерапевтическпх мероприятий с использованием кортикостероидных гормонов, был принцип имитации вводимыми в организм гормонами естественного суточного ритма секреции гормонов надпочечниками. В соответствии с ним суточную дозу экзогенных гормонов не распределяли, как обычно, равномерно в течение дня, а почти целиком давали больным в утреннее время суток, когда у здорового человека наблюдается максимальная концентрация в крови гормонов т^оры надпочечников. Проводимое таким образом лечение оказалось более эффективным, чем при лечении равномерно распределенной в течение дня дозой. Следовательно, хронотерапию целесообразно проводить с учетом состояния временной организации корригируемой функциональной системы.

В заключение следует отметить, что проблемы, разрабатываемые хронобиологией, касаются основных закономерностей существования и развития живых систем. Наряду с общетеоретическим значением, положения, выдвигаемые хронобиологией, являются чрезвычайно важными в практическом отношении, напр, при изучении процессов адаптации организма (в т. ч. организма человека) к изменяющимся условиям окружающей и внутренней среды, а также при решении многих вопросов хрономедицины.

Библиография: Биологические часы под ред. С. Э. Шноля, пер. с англ., М., 1964, библиогр.; Бюннинг Э. Ритмы физиологических процессов, пер. с нем., М., 1961, библиогр.; Иберал А. С. и Мак-Каллок У. С. Гомеокинез — организационный принцип сложных живых систем, в кн.: Общие вопр, физиол, механизмов, под ред. В. А. Трапезникова, с. 55, М., 1970; Кучеров И. С. ид р. Длительные биологические дштмы в динамике мышечной работоспособности человека, в кн.: Кибернетика и вычислительн. техника, под ред. К. А. Иванова-Муромско-го, в. 7, с. 71, Киев, 1970, библиогр.; Слоним А. Д. Экологическая физиология животных, с. 98, М., 1971, библиогр.; Эмме A. М. Биологические часы, Новосибирск, 1967, библиогр.; Smith A. The seasons, life and its rhythms, N. Y., 1970, bibliogr.; Sоllberger А. а. о. Automation in biological rhythm research with special reference to studies on homo, в кн.: Cell, aspects biorhythms, ed. by H. Mayersbach, p. 184, B.— N. Y., 1967, bibliogr.

Физиологические ритмы — Быков К. М. и Слоним А. Д. Кортикальные механизмы физиологии «времени» в организме животных и человека, в кн.: Опыт изучения периодических изменений физиол, функций в организме, под ред. К. М. Быкова, с. 3, М., 1949; Губский В. И. и Губский Л. В. Циркадные ритмы и механизмы циркадной организации, Усп. совр. биол., т. 68, в. 1, с. 90, 1969, библиогр.; Кандрор И. С. Очерки по физиологии и гигиене человека на Крайнем Севере, с. 169, М., 1968, библиогр.; Комаров Ф. И., Захаров Л. В. и Лисовский В. А. Суточный ритм физиологических функций у здорового и больного человека, Л., 1966, библиогр.; Ливанов М. Н., Лебедев А. Н. и Красавин В. А. Значение спонтанной активности нейронов для цепных реактивных процессов, Журн. высш. нервн. деятельн., т. 16, в. 2, с. 292, 1966; Aschoff J. Desynchronization and resynchronization of human circadian rhythms, Aerospace Med., y. 40, p. 844, 1969; Cloudsley-Thompson J. L. Rhythmic activity in animal physiology and behaviour, N. Y.-L., 1961; Ήalberg F. Chronobio-logy, Ann. Rev. Physiol., v. 31, p. 675, 1969, bibliogr.; Menzel W. Menschliche Tag-Nacht-Rhythmik und Schichtarbeit, Basel — Stuttgart, 1962; Mills J. N. Human circadian rhythms, Physiol. Rev., v. 46, p. 128, 1966; Richter C. P. Biological clocks in medicine and psychiatry, Springfield, 1965, bibliogr.

Значение Б. р. в космическом полете — Алякринский Б. С. Принципы и пути исследования проблемы космических суток, в кн.: Очерки психофизиол, труда космонавтов, под ред. H. Н. Туровского, с. 68, М., 1967; он же, Принципы построения режима труда и отдыха человека в космосе, Космическ. биол, и мед., т. 5, № 2, с. 53, 1971; Лицов А. Н. Суточная периодика физиологических функций и работоспособности человека при режиме с частой сменой периода сна и бодрствования, там же, № 1, с. 44; Сhemin P. Problfcmes biologiquos poses par l’astronautique, Biol. m6d. (Paris), t. 59, p. 18, 1970; Poppel E. Desynchronisationen circadianer Rhytmen innerhalb einer isolierten Gruppe, Pfliigers Arch. ges. Physiol., Bd 299, S. 364, 1968.

Алякринский Б. С. Основы научной организации труда и отдыха космонавтов, М., 1975, библиогр.; Гулюк Н. Г. Сезонность и суточная ритмика родов у женщин, Зависимость некоторых осложнений в родах от суточной ритмики родовой деятельности, Акуш, и гинек., № 6, с. 45, 1961; Biorhythms and human reproduction, ed. by M. Ferin a.o., N. Y., 1974.

Алякринский Б. С. Адаптация в аспекте биоритмологии, в кн.: Пробл. временной организации живых систем, под ред. А. М. Генина, с. 8, М., 1979; он же, Биологические ритмы и организация жизни человека в космосе, М., 1983; Баевский Р. М. Временная организация функций и адаптационно-приспособительная деятельность организма, в кн.: Теоретич. и прикладн. аспекты анализа временной организации биосистем, под ред. М. К. Чернышева и Р. М. Баевского, с. 88, М., 1976; Биологические ритмы, под ред. Ю. Ашоффа, пер. с англ., т. 1—2, М., 1984; Биологические ритмы гипоталамо-гипофизарно - надпочечниковой системы у животных и человека в норме и при патологии, под ред. Ю. А. Романова и В. А. Таболина, М., 1975; Второй симпозиум СССР — ГДР «Хронобиология и хрономедицина», Тезисы докладов, Тюмень, 1982; Детари Л. и Карцаги В. Биоритмы, пер. с венгер., М., 1984; Дружинин Ю. П., Романов Ю. А. и Вацек А. Временная организация процессов репродукции клеток и ее связь с ритмами радиочувствительности организма, в кн.: Функция организма и факторы космического полета, под ред. H. Н. Туровского, с. 139, М., 1974; Романов Ю. А. Междисциплинарный характер исследования временной организации биологических систем и их значение для медицины, в кн.: Биология и медицина: Фило-софск. и социальн. пробл. взаимодействия, под ред. Ю. А. Овчинникова, с. 90, М., 1985; Романов Ю. А. и Рыбаков В. П. Суточные ритмы митотической активности и длительности митоза в эпителии пищевода в норме и при воздействии тироксином, Бюлл. эксперим. биол. и мед., №11, с. 93, 1971; они же, Некоторые общие вопросы эволюции временной организации биологических систем, в кн.: Некоторые пробл. теории эволюции, под ред. H. Н. Иорданского и А. А. Малиновского, с. 47, М., 1973; Романов Ю. А. и д р. Биологические ритмы, М., 1980; Романов Ю. А. и др. Кейлонная регуляция временной организации репродукции клеток, Материалы докл. и сообщ. 4 Международн. симпозиума по кейлонам, с. 111, М., 1983; Степанова С. И. Актуальные проблемы космической биоритмологии, М., 1977; она же, Биоритмологический статус как один из критериев отбора космонавтов, Косм. биол. и авиакосм, мед., № 5, с. 20, 1980; Чернышев В. Б. Поведение животных и циркадные ритмы, Шурн. общ. биол., т. 34, № 2, с. 284, 1973; Endocrine rhythms, ed. by D. T. Krieger, N. Y., 1979.

B. А. Красавин, A. H. Лебедев; B. А. Бодров (косм.), Л. А. Луговой (физ.). В. А. Доскин, H.А. Лаврентьева, Ю. А. Романов.