21.5. Геофизические биоритмы

Согласно предложенной классификации, эти биоритмы включают околомесячные и око­логодичные ритмы организма.

Циркатригинтанные (околомесячные) био­ритмы обусловлены периодами вращения

Луны вокруг Земли (29,5 сут). К этим био­ритмам относится, например, менструальный цикл.

Цирканнуальиые (окологодичные) биорит­мы встречаются фактически у всех видов жи­вотных и растений. Это программируемые формы поведения (размножение, миграция, спячка и другие жизненно важные проявле­ния), жестко связанные с определенными фотопериодами и вторым важным факто­ром — изменениями температуры среды оби­тания. Подобные колебания наблюдаются в дыхательной системе человека. У женщин пик подъема сопротивления дыхательных путей формируется дважды в году: в ноябре и январе, а у мужчин — однократно: в декабре с продолжением в январе. Затем в обеих группах сопротивление дыхательных путей уменьшается и остается низким все летние месяцы. Обнаружена статистически досто­верная обратная корреляция между сопро­тивлением дыхательных путей и температу­рой воздуха.

Цирканнуальные биоритмы присущи им­мунной системе. Например, в крови человека содержание В-лимфоцитов изменяется в раз­ное время года: оно составляет 6—7 % летом и 12—13 % зимой. Описаны сезонные коле­бания реакции бласттрансформации лимфо­цитов на ФГА (фитогемагглютинин) и Кон А (конканавалин А): максимальный ответ кле­ток на ФГА приходится на середину декабря, а на Кон А — на конец ноября. У человека содержание серотонина в тромбоцитах повы­шается в апреле и декабре, а мелатонина в сыворотке крови — в январе и июне; содер­жание холестерина возрастает весной, а сни­жается — к осени. Увеличение концентрации тестостерона у мужчин приходится на конец лета и начало осени с акрофазой в сентябре.

С удлинением ночи увеличивается выра­ботка мелатонина эпифизом, который тормо­зит гонадотропную активность гипоталамо-гипофизарной системы. В холодное время года наблюдается возбуждение симпатико-адреналовой системы, увеличивается обмен веществ, в том числе и в условиях температу­ры комфорта, растут потребление кислорода, активность сердечно-сосудистой системы, артериальное давление. Количество выраба­тываемых гипофизом тропных гормонов воз­растает весной. Выработка глюкокортикои­дов летом уменьшается, ее максимум непо­стоянен.

Некоторые сезонные биоритмы могут ока­зывать существенное влияние на течение патологических процессов. Так, акрофазе смертности от сердечно-сосудистых заболе-

560

ваний в январе для жителей северного полу­шария предшествует декабрьское повышение концентрации холестерина в плазме крови; в южном полушарии наибольшая частота воз­никновения сердечно-сосудистых заболева­ний приходится на июнь.

Циклические изменения констант орга­низма обеспечиваются эндогенными меха­низмами, которые выполняют функцию био­логических часов.

21.6. Биологические часы

А. Понятия. Большинство исследователей считают, что в основе работы биологических часов лежат эндогенные механизмы, т.е. рит­мически действующие структуры живого ор­ганизма. Будучи наследственно закреплены, они обусловливают спонтанное проявление цикличности протекания многих физиологи­ческих процессов в организме. В пользу по­добной точки зрения приводят результаты экспериментов, выполненных в искусствен­ных лабораторных условиях на целом орга­низме и на культуре тканей. Так, в опытах на крысах при постоянном световом режиме выявлены сезонные колебания содержания в крови тиреотропного гормона и вазопресси-на. Нейроны мозга мышей в лабораторных условиях сохраняют суточную и сезонную ритмическую активность. Инкубированные срезы надпочечников сохраняют околосуточ­ные ритмы секреции корт и ко стероидов. Все это, как считают, свидетельствует об эндо­генной природе биоритмов. Считают также, что полностью исключить влияние экзоген­ных факторов на течение биоритмов нельзя.

Таким образом, биологические часы — это структуры и механизмы биологических рит­мов, сформированные и закрепленные под влиянием геофизических и социальных фак­торов.

Б. Локализация биологических часов. В 1935 г. Бюнинг обнаружил генетическую передачу из поколения в поколение циркади-анных колебаний у бобового растения. Эти исследования послужили основой для созда­ния концепции биологических часов, заклю­чающейся в том, что организмы обладают врожденными внутренними механизмами, позволяющими чувствовать время. Начался поиск главных часов внутри организма. Вна­чале предполагали, что эти гипотетические часы находятся в гипофизе. Затем объектом поиска часов стал гипоталамус. Главные часы пытаются найти в нейроэндокринных струк­турах: в эпифизе или супрахиазмальном ядре

(СХЯ) гипоталамуса. Есть основание пола­гать, что это ядро является циркадианной ко­лебательной системой, управляющей некото­рыми нейроэндокринными ритмами, такими как колебания выработки АКТГ, ТТТ и про-лактина. Электролитическое разрушение или подавление с помощью нейротоксинов СХЯ ядра приводит к прекращению указанных нейрогормональных циркадианных колеба­ний. При этом циркадианные колебания, ха­рактерные для других физиологических функций организма, сохраняются. Имеется и ряд других экспериментальных фактов, сви­детельствующих о том, что главными биоло­гическими часами является СХЯ.

Существует также мнение, что одним из центральных ритмоводителей является эпи­физ, поскольку продукция мелатонина тесно коррелирует с изменением освещенности (день—ночь). Локализация главных биологи­ческих часов у разных видов животных раз­лична. Циркадианным водителем ритма у птиц и пресмыкающихся является, по-види­мому, эпифиз; у некоторых насекомых — оп­тические доли мозга, у моллюска Aplisia и других представителей Gastropoda — вторич­ные нейроны в глазу [Jacklet J.W., 1984]. Имеется и ряд других гипотез о локализации главных биологических часов. Есть точка зрения, что таковых вообще нет, а роль часов выполняют клеточные мембраны (мембран­ная теория).

Важная роль в формировании биоритмов принадлежит коре большого мозга. У живот­ных с удаленной корой большого мозга нару­шается чередование сон—бодрствование.

Теория централизованного управления внутренними колебательными процессами (наличие единых биологических часов) каса­ется главным образом восприятия смены света, темноты и трансформации этих экзо­генных явлений в биоритмы. Естественно, что воспринимающим прибором является глаз. Импульсы, в которых закодирована сте­пень освещенности, распространяются по зрительным нервам и достигают по их колла-тералям СХЯ гипоталамуса. Вовлекается в механизм восприятия изменений освещен­ности и эпифиз, который секретирует гормон мелатонин; последний принимает участие в управлении уровнем половых гормонов, а также кортикостероидов, обладающих четко выраженной суточной периодикой и, воз­можно, антагонистически взаимодействует с меланоформным гормоном гипофиза. Вовле­кается в процесс и вегетативная нервная сис­тема посредством ряда ядер гипоталамуса, а также желез внутренней секреции, находя-

561

щихся под контролем гипоталамуса и гипо­физа. В темное время суток в эпифизе воз­растает продукция мелатонина, в светлое — серотонина.

У лиц с полной потерей зрения сглажива­ются суточные колебания диуреза и экскре­ции калия, нарушаются суточные колебания концентрации кортизола в плазме крови. Влияние фотопериодики на человека ниве­лируется вмешательством социальных факто­ров: трудом, отдыхом, питанием, эмоцио­нальным состоянием. Сохранение циркади-анных и цирканнуальных биоритмов изоли­рованных органов и даже клеток в культуре тканей свидетельствует о том, что биоритмы присуши не только целому организму, но от­дельным его органам и даже клеткам. По-ви­димому, в организме существует несколько ритмоводителей. Возникает вопрос, каков конкретный механизм их работы.

В. Гипотезы о механизме работы биологи­ческих часов. Имеется несколько гипотез, од­нако ни одна из них не является общепри­знанной. Широкое распространение получи­ла хронон-гипотеза, согласно которой кле­точными часами является цикл синтеза бел­ка. Об интенсивности этого цикла судили по изменению активности синтеза РНК в клет­ках организма.

Синтез РНК приурочен к определенному времени суток и отражает образ жизни жи­вотного. Так, у грызунов с ночным образом жизни (мыши, крысы) синтез цитоплазмати-ческой РНК в клетках печени высок утром, а ядерных белков — в первой половине ночи. Самое высокое содержание РНК в надпочеч­никах крысы приходится на 18—24 ч, а у мышей — на 20—22 ч; в частности, блокада синтеза РНК на ДНК ведет к нарушению связанной со сменой дня и ночи ритмичес­кой активности нервных клеток абдоминаль­ного ганглия моллюска аплизии. Помимо су­точных колебаний синтеза РНК и белка, су­ществуют и околочасовые, обнаруженные у клеток печени, эритроцитов, клеток подже­лудочной железы.

Таким образом, согласно хронон-гипоте-зе, клеточными часами является цикл синте­за белка, продолжительность которого около 24 ч.