Хронобиология

Некоторые показатели циркадного (24-часового) биологического ритма человека

Хронобиология (от др.-греч. χρόνος — «время») — область науки, которая исследует периодические (циклические) феномены, протекающие у живых организмов во времени, и их адаптацию к солнечным и лунным ритмам. Эти циклы именуют биологические ритмы (БР).

Хронобиологические исследования включают, но не ограничиваются ими, работы в области сравнительной анатомии, физиологии, генетики, молекулярной биологии и биологии поведения организмов. Другие аспекты включают исследование развития, воспроизведения, экологии и эволюции видов. (См. также: «супрахиазматическое ядро», мелатонин, светотерапия и др.).

Описание

Синхронизация уровня и длительности биологической активности с внешними факторами у живых организмов происходят при многих существенных биологических процессах. Это происходит

• у животных (еда, сон, спаривание, зимовка, миграция, клеточная регенерация, и т. д.),
• у растений (движения листа, фотосинтез и т. д.).

Наиболее важный ритм в хронобиологии — суточный ритм, примерно 24-часовой цикл физиологических процессов у растений и животных. (Слово «циркадный» приходит из латыни, — «circa» означает «около», «примерно», и «dies» — «день», «сутки», то есть «циркадианный» или «циркадный» — это «околосуточный»).

Есть и другие важные циклы:

• инфрадианные, более долгосрочные, такие как ежегодные циклы миграции или воспроизводства, выявленные у некоторых животных, или человеческий менструальный цикл.
• ультрадианные ритмы, краткие циклы, такие как 90-минутный цикл REM-сна у людей, 4-часовой назальный цикл или 3-часовой цикл продуцирования гормона роста.

Периодические ритмы, обычно наблюдаемые у морских животных, часто следуют (примерно) 12-часовому переходу от прилива к отливу и обратно.

История

Циркадный ритм был первоначально обнаружен в XVIII веке в движении листьев растения французским ученым Жаном-Жаком де Мераном (для просмотра описаний суточных ритмов растений см. — de Mairan, Карл Линней и Дарвин). В 1751 шведский ботаник и натуралист Карл Линней сконструировал даже настоящие биологические часы, используя некоторые суточные виды цветущих растений. Упорядочивая растения в круговом паттерне, он сконструировал биологические часы, которые самым натуральным образом показывали время дня, в зависимости от того, чьи цветки были открыты и чьи закрыты. Например, он обнаружил, что растение «hawk’s beard» («ястребиная бородка») открывает свои цветки в 6:30 утра, тогда как другой вид кульбаба не открывает свои цветки до 7 часов.

В 1860-е годы президент Русского энтомологического общества Карл Эрнст фон Бэр написал о биологическом времени и его различии у различных видов животных. Его подход был далее развит и экспериментально изучен Якобом фон Икскюль.

В 1924 году Александр Чижевский, выпускник медицинского факультета МГУ, опубликовал междисциплинарные работы: «Физические факторы исторического процесса» и «Эпидемиологические катастрофы и периодическая активность Солнца», в которых он описал циклы у живых организмов в связи с солнечным циклом и циклом лунных фаз. Чижевский развил новую дисциплину, гелиобиологию, как подраздел астробиологии. В 1939 он был избран Почётным президентом Международного Конгресса по биологической физике и космической биологии, после публикации в 1936 году его работы «Земное эхо солнечных штормов» (366 стр., 1976, Москва) (Впервые опубликована в 1936 на русском языке: «Земное эхо солнечных бурь», полный текст). Однако, вскоре он был арестован и сослан в Сибирь во время сталинских репрессий. Его публикации были подвергнуты цензуре, и его исследования 1930-х годов по крови и электромагнитным параметрам эритроцитов в связи с циклами человеческой циркадианной системы были запрещены; они были опубликованы в 1973 году, 40 лет спустя. Его публикация 1928 года «Влияние космоса на психозы человека» была подвергнута цензуре в Советском Союзе, хотя и в 2003 году на эту работу продолжали ссылаться в «Journal of Circadian Rhythms».

Как представляется, именно на симпозиуме 1960 года в Cold Spring Harbor Laboratory наступил момент, когда исследователи из различных областей науки обнаружили, что они все изучали одни и те же феномены. Тогда и было положено начало хронобиологии как современной науке.

Также в 1960 годе Patricia DeCoursey изобрела кривую фазной реакции, главной инструмент, используемой в этой области.

В 1960-е годы Мишель Сифр проводит серию экспериментов с многомесячным одиночным заточением людей в пещере, без информации об астрономическом времени. Эксперименты показывают сохранение 24-часового суточного цикла, с последующим переходом на 48-часовой.

Франц Халберг из Миннесотского университета ввел термин «циркадианный», и его часто именуют «отцом американской хронобиологии». Руководителем «Общества исследований биологических ритмов» в 1970-е годы стал Колин Питендрих, занимавшийся больше эволюционными и экологическими аспектами, в то время как Халберг делал больший акцент на человеческие и медицинские аспекты. Питендрих как руководитель и члены Общества сделали основополагающие исследования на всех типах организмов и растений, и животных. Позже было трудно получить финансирование для подобных исследований на каких-либо других организмах, кроме мышей, крыс и человека, а также дрозофил.

Позже светолечение и значение мелатонина были исследованы Альфредом Льюи из Орегонского медицинско-научного университета (Oregon Health & Science University) и другими исследователями как средства для перенастройки заново суточных ритмов животных и человека.

Человек может иметь утренний тип («жаворонки») или вечерний («совы»); эти типы называют хронотипами. Для них есть различная оценочная техника и биологические маркеры.

Во второй половине XX века существенный вклад был сделан Юргеном Ашоффом и Колин Питендрих, которые выполнили различные, но дополняющие друг друга исследования относительно феномена захвата циркадианной системой света (параметрический, непрерывный, тонический, постепенный по сравнению с непараметрические, дискретный, фазный, мгновенный, соответственно).

Есть также пищевые биологические часы, которые не ограничены супрахиазматическим ядром. Оно находится в мозге, возможно в дорсомедиальном ядре гипоталамуса. Работа с мышами, Fuller и соавторы сделали вывод, что с определенного времени биологические часы, как представляется, индуцируют пищевые ограничения. Это говорит о контроле подобных функций как синхронизации активности, повышая шансы для животного успешно определять местонахождение пищевых ресурсов.

Достижения хронобиологии

1. БР обнаружены на всех уровнях организации живой природы. Биоритмика — одно из наиболее общих свойств живых систем.
2. БР признаны важнейшим механизмом регуляции функций организма, обеспечивающим гомеостаз, динамическое равновесие и процессы адаптации в биологических системах.
3. БР, с одной стороны, имеют эндогенную природу и генетическую регуляцию, с другой, их осуществление тесно связано с модифицирующими факторами внешней среды, так называемыми датчиками времени, которые условно подразделяются на основные и дополнительные. Эта связь в основе единства организма со средой во многом определяет экологические закономерности. Однако процессы, происходящие в организме человека от некоторых внешних воздействий, остаются во многом неизученными.
4. Сформулированы положения о временной организации живых систем, в том числе — человека — одним из основных принципов биологической организации. Развитие этих положений очень важно для анализа патологических состояний живых систем.
5. Обнаружены БР чувствительности организмов к действию факторов химической и физической природы. Хронофармакология — способы применения лекарств с учетом зависимости их действия от фаз биологических ритмов функционирования организма и от состояния его временной организации, изменяющейся при развитии болезни.
6. Закономерности БР учитывают при профилактике, диагностике и лечении заболеваний.

Другие области

Хронобиология — междисциплинарная область исследований. Она взаимодействует с медициной (см. хрономедицина) и другими областями науки. См. нарушение ритмов организма, расстройства сна, эндокринология, гериатрия, спортивная медицина, космическая медицина и фотопериодизм.

«Теория биоритмов», которая якобы описывает ряд циклических изменений человеческой формы поведения, основанные на физиологических и эмоциональных циклах, не является частью хронобиологии.