Хронобиология

1.2. Синхронизация и резонанс

Взаимодействие колебательных процессов осуществляется на основе синхронизации и резонанса, благодаря которым поддерживается целостность систем и происходит управление параметрами протекающих в них процессов. Понятия синхронизации и резонанса очень тесно связаны между собой.

Синхронизацией называется установление и поддержание такого режима колебаний двух или нескольких связанных систем, при котором их частоты равны, кратны или находятся в рациональном отношении друг с другом. Для возникновения синхронизации достаточно очень слабого сигнала. Полагают, что в некоторых ситуациях для синхронизации вообще не существует порога: как бы ни был слаб синхронизирующий сигнал, синхронный режим колебаний непременно наступит, если только различия в частотах осцилляторов (расстройка) не слишком велики.

При сближении частоты и фазы вынуждающей силы с одной из частот собственных колебаний системы происходит относительно большой избирательный отклик колебательной системы, который выражается в резком возрастании амплитуды колебаний – резонансе (от фр. resonance, лат. – resono – звучу в ответ, откликаюсь) (рис. 8).

Явление резонанса необходимо учитывать в практике. В частности, отдельные части станков и машин совершают во время работы небольшие колебания. Если частота этих колебаний очень близка или совпадает, может возникнуть резонанс. Машина, станок или опора, на которой он стоит, разрушатся. Известны случаи, когда вследствие резонанса разваливались на части самолеты в воздухе, ломались гребные винты у судов, рушились железнодорожные рельсы.

Предотвратить возникновение резонанса можно, изменяя либо собственную частоту системы, либо частоту силы, вызывающей колебания. С этой целью, например, солдаты, переходя через мост, идут не в ногу, а вольным шагом. В противном случае частота их шагов может совпасть с частотой собственных колебаний моста и он разрушится. Так произошло в 1750 г. во Франции, когда через

21

мост длиной 102 м, висящий на цепях, проходил отряд солдат. Подобный случай произошел и в Петербурге в 1906 г. При переходе по Египетскому мосту через реку Фонтанку кавалерийского эскадрона частота четкого шага лошадей совпала с частотой колебаний моста. Для предотвращения резонанса поезда переезжают мосты на медленном или на очень быстром ходу, чтобы частота ударов колес о стыки рельсов была значительно меньше или значительно больше частоты собственных колебаний моста.

Рис. 8. Эффект резонанса для разных частот внешнего воздействия и коэффициентов затухания: ω0 – собственная частота, ωА – частота

внешнего воздействия, резонанс максимален в случае δ = 0, при ωА/ω0 = 1; δ – коэффициент затухания. Затухание колебаний – постепенное ослабевание собственных колебаний, обусловленное потерями энергии колебательной системы. Затухание колебаний приводит к уменьшению амплитуды колебаний

22

Возможно, что к резонансным явлениям относятся эпилептические припадки, гипертонические кризы, инфаркты миокарда, резкие вспышки численности или смертности микробов, насекомых и позвоночных животных, растений. Подход к этим фенόменам с хронобиологических позиций позволит лучше понять механизм их возникновения.

В настоящее время известно более десяти видов различных резонансов, которые наблюдаются на разных уровнях организации систем. Резонансные методы приобрели в последние десятилетия широкое распространение при исследовании вещества в газообразном, жидком и твердом состоянии. Набор этих методов постоянно пополняется благодаря открытию все новых видов резонанса: параметрического, стохастического, диссипативного, оптического, акустического, электронного магнитного и ядерного магнитного, двойного электронно-ядерного, параэлектрического, циклотронно-

го, -резонанса. Колебательные системы, способные резонировать, могут иметь различную природу и масштабы. Если говорить о микроуровне, то это могут быть электроны, электронные оболочки атомов, магнитные и электрические моменты атомов, молекул, примесных центров в кристаллах и т.д. На макроуровне – вращения и обращения планет, галактик.

Несмотря на обилие разных типов резонансов, во всех случаях общая картина резонанса сохраняется: вблизи резонанса возрастают амплитуда колебаний и энергия колебательной системы. Это возрастание прекращается, когда потери энергии (за счет теплового рассеяния или трения) компенсируют ее прирост.

Резонансные явления широко распространены в фотосинтезе в процессах переноса энергии (резонансная миграция энергии экситонного, индуктивного или обменного типа). Примером резонансных устройств, используемых биологическими объектами, является также плавательный пузырь у рыб. Диапазон воспринимаемых с помощью пузыря звуков у трески и сельди простирается от 300 Гц до 1,5 кГц и выше. Воздушная полость – резонатор имеется на груди ночной бабочки совки. Раскрывая крылья под определенным углом, бабочка может изменять его размеры и модуль упругости и

23

тем самым подстраивать частоту резонатора к определенным физиологически значимым для нее звукам. У другого представителя класса насекомых, бражника рода Celerio, заполненные воздухом мешки расположены на нижнегубных щупиках. Обычно диапазон воспринимаемых насекомыми звуков составляет от 6–9 до 20– 40 кГц и выше. Для восприятия широкого звукового диапазона насекомые часто используют многокамерные системы резонаторов, каждый из которых воспринимает свой частотный диапазон сигналов. Характерный размер микропузырьков-резонаторов для звукового диапазона составляет величину порядка 0,5–1 см.

Хотя развитие рецепторов звука у членистоногих и позвоночных шло разными путями, наличие резонансных полостей, окруженных мембраной, характерно для большинства слуховых рецепторов. Внутреннее ухо человека состоит из сложной системы каналов и полостей (лабиринт), наполненных лимфой. Во внутреннем ухе звуковые волны, распространявшиеся в наружном ухе в воздухе, преобразуются в продольные колебания лимфы. Часть лабиринта, именуемая улиткой, представляет собой спирально закрученную трубку, имеющую 2,5 витка. Улитка состоит из трех разделенных тонкими перепонками каналов. Один из каналов содержит рецептор звука – кортиев орган, состоящий примерно из 24 000 чувствительных клеток с выступающими из них волосками. Эти клетки располагаются на базилярной мембране, а концы их волосков на специальной покровной мембране. Микроскопия кортиева органа показывает, что волокна базилярной мембраны имеют разную длину в разных участках завитков улитки, напоминая струны арфы. Работа слуховой системы основывается на резонансе колебаний в определенных участках базилярной мембраны. При колебаниях мембраны чувствительные клетки перемещаются, их волоски изгибаются, движения предаются окончаниям нервных клеток и вызывают появление нервного импульса.

Различные виды рецепторов кожной, суставной и мышечной чувствительности, преобразующие механическую энергию раздражения в биоэлектрическую активность, функционально также являются типичными резонансными фильтрами, выявляя тот или

24

иной вид механических воздействий. Так, рецепторы кожи различают разные степени и направления давления на кожу, в том числе движение воздушного потока, вибрацию. Суставные рецепторы, наряду с давлением, отмечают угол поворота сустава. Мышечные и сухожильные рецепторы сигнализируют о степени растяжения мышц и напряжения мышечных волокон. Исследование активности рецепторов различными способами (главным образом путем регистрации импульсации от отдельных афферентных волокон, отходящих от рецептора) в значительном числе случаев убеждает в том, что и здесь мы имеем дело с фильтрами, работающими по принципу биомеханического резонанса. Это очень четко показано для телец Фатера – Пачини, локализованных в толще кожи, рецепторов коленного сустава кошки, рецепторов мышечных веретен и сухожильных рецепторов Гольджи. Максимальная чувствительность телец Фатера – Пачини регистрируется на частотах 100–200 Гц. Таким образом, принцип резонансной настройки действует в таких исключительно важных средствах общения организма с внешним миром, как слуховая и кожно-мышечная чувствительность.

В настоящее время нет убедительных доказательств, что вкусовые и обонятельные рецепторы работают по принципу резонансной настройки. Восприятие запахов объясняется стереохимической теорией, предложенной Дж. Эймуром (1964 г.), в соответствии с которой форма молекулы определяет ее запах. Однако наряду с ней существует не нашедшая убедительных подтверждений, и непопулярная сейчас вибрационная теория Диксона – Райта, полагающих, что восприятие запахов происходит на основе взаимодействия колебаний молекул одоранта с резонирующими рецепторами слизистой носа. Не вполне еще ясен механизм действия болевых и температурных рецепторов, рецепторов ускорения.

Относительно работы зрительного анализатора также существуют принципиально разные теории: трехкомпонентная и нелинейная двухкомпонентная теория зрения С.Д. Ременко (1975). Согласно первой сетчатка глаза человека и цветовоспринимающих животных, вычленяет из широкого спектра электромагнитных колебаний узкий диапазон волн, длины которых лежат в пределах 350–700 нм (рис. 9,

25

на вклейке), благодаря тому, что в своем составе она имеет сине-, зелено- и красночувствительные колбочки, содержащих три группы фоточувствительных пигментов. Максимумы их спектров поглощения располагаются в полосах волн с длиной 445–450 нм (синий), 525–540 нм (зеленый) и 555–577 нм (красный). По другой модели имеются только два типа светочувствительных элементов сетчатки глаза – однотипные колбочки и палочки. По этой теории каждая колбочка содержит в себе два пигмента с рядом расположенными максимами чувствительности: хлоролаб (чувствительный к жёлтозелёной области спектра) и эритролаб (чувствительный к жёлтокрасной части спектра). Эти два пигмента давно найдены и тщательно изучены. Приёмником синей части спектра в глазу является не колбочка, а палочка, содержащая родопсин.

1.3. Классификации биологических ритмов

Современные представления о временной организации сложились в результате изучения закономерностей лишь немногих составляющих спектра биологических ритмов. Это, в основном, околосуточные ритмы, отчасти сезонные и приливные лунные ритмы. Однако ритмы организмов не ограничиваются только этими ритмами. Спектр (набор) биологических колебаний простирается от долей секунд до сотен лет. При этом каждая составляющая спектра (каждая частота) являетсяпредставителемсвоегоуровняорганизации. Переходкболее сложным уровням организации ведет к удлинению периода. Наиболее быстрые ритмы, связанные с передачей информации на клеточном уровне, длятся миллисекунды или секунды. Для процессов гуморальной и нервной регуляции, обновления клеточных и тканевых структур характерны временные отрезки длительностью от несколькихдесяткови сотен секунд досуток иболее.

Исключительное богатство ритмических явлений в биологическом мире делает необходимым построение классификации биоритмов. В настоящее время существует несколько классификаций:

26

1)по принадлежности к классу явлений (ритмы живой и неживой природы, ритмы растений, животных, человека);

2)по признаку функционального значения (экологические, или адаптивные, (суточные, приливно-отливные, сезонные) и функциональные);

3)по принадлежности к различным уровням организации – от клеток до популяций;

4)по признаку величины периода (микроритмы – колебания с

периодом менее часа, мезоритмы – колебания с периодами 1 часа, но 1 месяца, макроритмы – ритмы с периодами 1 месяца; мегаритмы – сотни, тысячи и миллионы лет).

Наибольшее распространение получила классификация по признаку величины периода, предложенная в 1967 г. профессором Миннесотского университета Францем Халбергом, хотя далеко не все названия ритмов из этой классификации прижились в отечественной научной литературе.

Высокие частоты: < 0,5 ч (биоэлектрическая активность мозга, сердца, мышц, частота пульса, дыхания и т.д.).

Средние частоты: ультрадианный (0,5–20 ч); циркадианный (circa – около, примерно и dies – день, сутки), или околосуточный, (20–28 ч); инфрадианный (28 ч – 5 сут.).

Низкие частоты: циркасептидианные или околонедельные – (7 3 дня); циркавигинтидианные – (21 3 дня); циркатригинтидианные – (30 5дней); цирканнуальные – (1 год 2 месяца).

1.4. Методы организации исследования биоритмов

При изучении биоритмов чрезвычайно важно предварительное планирование и организация наблюдений и экспериментов. Причем чаще всего возникают следующие вопросы: как часто должны проводиться измерения и сколько времени они должны продолжаться?

Основные правила проведения хронобиологических наблюдений следующие. Если необходимо судить о параметрах колебаний с

27

приблизительно известным периодом (Т), интервалы между наблюдениями не могут быть больше Т/2, а общая длительность не может быть меньше 2Т. Предположим, что необходимо выявить ритмы в диапазоне от 5 до 28 сут. В этом случае средние интервалы между наблюдениями не должны превышать 2,5 суток, а общая длительность наблюдений не должна быть меньше 56 (28 2) сут.

Наблюдения делятся на продольные и поперечные исследования. Продольные –это такие исследования, когда задачей является выявление ритмики и определение ее параметров у конкретного объекта. Поперечными исследованиями называются такие, когда в намеченные интервалы времени изучается не один и тот же объект, а разные члены группы, выбранные в случайном порядке. При этом предполагается, что ритмика исследуемой группы синхронизирована по периоду и фазе. Если же ритмику при поперечном исследовании выявить не удается, это не значит, что ее нет, скорее всего, исследуемая группа плохо синхронизирована. В этом случае нужно выбрать в группе несколько индивидуумов и провести у них продольные исследования. Бывают случаи, когда продольная и поперечная организация исследований становятся предметом альтернативного выбора. Продольные исследования необходимы, когда число объектов, входящих в группы, невелико, а условия обитания группы заранее предрасполагают к десинхронизации. Вместе с тем продольные исследования чрезвычайно трудоемки и требуют от обследуемых и обследующего огромной выдержки, терпения и тщательности. Выбор между способами исследования определяется постановкой задачи и возможностями экспериментатора.

1.5. Временные ряды. Анализ временных рядов

Последовательность величин, являющаяся результатом наблюдения за определенным процессом во времени, называется временным рядом. При составлении временного ряда важно придерживаться некоторых правил отбора данных. Наблюдения желательно проводить через равные промежутки времени. Временной

28

ряд должен быть представлен измерениями, проведенными с учетом пола, возраста, внешних факторов. В любом временном ряду выделяют следующие составляющие: 1) систематическое движение, или тренд; 2) колебания относительно тренда с большей или меньшей регулярностью; 3) случайная или несистематическая компонента. Задача анализа временного ряда сводится к расщеплению реального ряда на компоненты и анализу каждой компоненты в отдельности.

Для выявления периодичностей во временном ряду применяют периодограммный и спектральный анализы. Спектральный анализ применяют в трех вариантах, ставших классическими: спектральный метод, в основе которого лежит расчет автокорреляционной функции; спектральный анализ Фурье; спектральный анализ максимума энтропии.

Из новых методов анализа временных рядов необходимо упомянуть два: вейвлет-преобразование – аппарат, хорошо приспособленный для изучения структуры неоднородных процессов, и метод, получивший в России название «Гусеница». Последний метод независимо разрабатывался в России, Великобритании и США (где его аналог получил название SSA – Singular Spectrum Analysis) и показал себя мощным средством исследования временных рядов. Подробное описание методов анализа временных рядов и примеры их практического использования можно найти в соответствующей литературе.

Контрольные вопросы и задания

1.Что такое отрицательная и положительная обратная связь?

2.Приведите примеры положительной и отрицательной обратной связи в природных и технических системах.

3.Какие преимущества дает колебательный характер процессов системам, в которых они протекают?

4.Дайте определение понятиям «хронобиология», «биоритмология».

29

5.Чем отличаются вынужденные колебания и волны от автоколебаний и автоволн?

6.Чем отличаются автоколебания от автоволн? Что между ними общего?

7.Что такое биоритм?

8.Чем понятие «ритм» в биологических системах отличается от физического понятия?

9.Назовите основные параметры, характеризующие биологические ритмы.

10.Перечислите размерности и единицы измерения в которых измеряются параметры биологического ритма.

11.Что такое спектр колебаний и какие основные виды спектров существуют?

12.Назовите черты сходства и различия между синхронизацией и резонансом.

13.Перечислите основные виды резонансов и назовите общую для них черту.

14.Используется ли принцип резонанса в работе сенсорных систем живых организмов? Что известно в настоящее время об этом?

15.Какие существуют классификации биологических ритмов?

16.Расскажите подробно о классификации Ф. Халберга.

17.В чем заключается основное правило проведения хронобиологических наблюдений? Приведите пример.

18.При малочисленности группы более приемлема продольная или поперечная организация исследований?

19.Назовите правила отбора данных для составления временного ряда.

30