Биологические ритмы
Биологические ритмы — это периодически повторяющиеся изменения интенсивности и характера биологических процессов и явлений. По-видимому, они присущи в той или иной форме всем живым организмам и наблюдаются на всех уровнях организации жизни: от внутриклеточных процессов до популяционных и даже биосферных.
Проявления ритмов у живых организмов
- У растений ритмы проявляются в суточных движениях листьев и лепестков, а также в физиологических процессах, таких как осенний листопад или сезонное одревеснение побегов.
- У животных ритмы чётко выражены в периодичности двигательной активности и многих функциях:
- Ритмический характер могут носить и колебания численности популяций.
У многоклеточных организмов отдельные клетки или их группы могут выступать в роли синхронизаторов, управляя ритмикой органов или всего организма. Независимые ритмы отдельных органов, тканей и клеток участвуют в создании временной упорядоченности биологических явлений, что служит основой для интеграции всех процессов в живом организме. Биологические ритмы наследственно закреплены и являются важнейшими факторами естественного отбора и адаптации.
Классификация и природа биологических ритмов
Биологические ритмы делятся на две основные категории:
- Экзогенные ритмы — возникают как непосредственная реакция на периодические изменения окружающей среды (например, на смену дня и ночи).
- Эндогенные ритмы — генерируются самим организмом на
основе саморегулирующихся процессов. Они могут иметь разную
стабильность:
- Физиологические ритмы (например, частота сердечных сокращений, дыхания) — их частота может существенно варьировать в зависимости от состояния организма.
- Экологические (циркадианные) ритмы — их частота очень стабильна и соответствует циклическим изменениям среды (суточным, приливным, лунным, годичным). Хотя они имеют эндогенную природу, на них сильно влияют внешние факторы.
Эндогенный компонент ритма выполняет функцию биологических часов, позволяя организму ориентироваться во времени и заранее готовиться к предстоящим изменениям. Эта внутренняя «часовня» система сохраняется даже в постоянных лабораторных условиях и почти не зависит от интенсивности обмена веществ. Например, ритм спорообразования у водорослей не нарушается веществами, тормозящими метаболизм, а морские моллюски в аквариуме долго сохраняют приливную и лунную периодичность открывания створок раковин.
Подстройка и значение ритмов
Экологические ритмы способны подстраиваться к изменениям внешних условий, но лишь в определённом диапазоне. Эта адаптация возможна благодаря наличию в каждом цикле интервалов «потенциальной готовности», когда организм чувствителен к внешним сигналам (например, к свету или темноте). Если сигнал запаздывает или приходит раньше, фаза ритма сдвигается.
В экспериментальных условиях при постоянном освещении и температуре этот механизм приводит к регулярному сдвигу фазы, из-за чего период ритма перестаёт соответствовать природному 24-часовому циклу (такие ритмы называют циркадными). Нарушение или ослабление естественной ритмичности среды может привести к сбою внутренних биологических часов и развитию патологических состояний.
Биоритмы и здоровье человека
Ритмический характер свойственен многим физиологическим процессам у человека (суточные колебания артериального давления, количества лейкоцитов в крови и др.). Существуют данные о циклических изменениях физического состояния и психологических функций. Поэтому нарушение установившихся ритмов жизнедеятельности (например, при работе в ночную смену, перелётах через часовые пояса) может снижать работоспособность и негативно влиять на здоровье.
Изучение биологических ритмов (биоритмология) имеет большое практическое значение для организации рационального режима труда и отдыха, особенно в экстремальных условиях (в Арктике и Антарктике, в космосе). Однако природа многих ритмических процессов в живых системах до конца не ясна, и знания об их механизмах часто носят гипотетический характер.
Современный контекст
Современные исследования подтвердили, что регуляция циркадных ритмов у млекопитающих действительно осуществляется супрахиазматическим ядром гипоталамуса, которое является главным «водителем ритма». Это ядро получает информацию о свете непосредственно от сетчатки глаза и синхронизирует периферические «часы», находящиеся практически в каждом органе и ткани, через гормональные и нейронные сигналы. Открытие молекулярных механизмов, лежащих в основе этих часов (цикл транскрипционно-трансляционной обратной связи с участием генов Clock, Bmal1, Per, Cry), было отмечено Нобелевской премией по физиологии и медицине 2017 года. Сегодня хронобиология — изучение биологических ритмов — активно развивается, находя применение в медицине (хронотерапия), спорте и организации труда.