Принцип циркадных организаций биоритмов
ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАНЯТИЕ № 24
Тема занятия: БИОЛОГИЧЕСКИЕ РИТМЫ.
ХРОНОБИОЛОГИЯ. ХРОНОМЕДИЦИНА.
Общая цель занятия: Сформировать у студентов современные представления о биологических ритмах, временной организации физиологических функциях.
Конкретные цели занятия:
| Знать: | Уметь: |
| 1. Определение биоритма, его основные характеристики и разновидности. 2. Взаимодействие ритмов и их целесообразность. 3. Интеграция колебательных процессов в организме. 4. Роль фотопериодики и геомагнитного поля в координации биоритмов. 5. Режимы питания и двигательной активности как фактор синхронизации биоритмов. 6. Десинхроноз: определение, виды, проявления. 7. Сезонные приспособительные реакции организма, их механизмы. 8. Сезонные биоритмы здорового человека. 9. Характеристика многолетних биологических циклов. 10. Дать характеристику понятия «индивидуальная минута», «индивидуальный дециметр», хронотоп. 11. Метеопатология и нарушение биоритмов. | 1. Провести обследование показателей биологических ритмов. |
Информационный материал.
На протяжении жизни биосистемы испытывают влияние многих факторов природы как земного, так и космического происхождения. Большинству факторов свойственна ритмичность в своих проявлениях, другие носят спорадический, случайный характер. К каждому из них человек должен приспосабливаться. В процессе эволюции приспособление к периодическим изменениям в природе приобрело упреждающий характер. К явлениям непериодического характера организм не приспособился и в каждом конкретном случае вынужден перенапрягать механизмы защиты и компенсации.
Периодические изменения нередко переносятся человеком болезненно и при нарушении функции адаптивных систем могут вызвать суб- и декомпенсацию отдельных систем обеспечения. В биосистемах организма основные физиологические и биохимические процессы закономерно меняются во времени, обусловливая, в известной мере, суточные и сезонные биоритмы. Эти процессы выработались на протяжении эволюции и закрепились в генетических аппаратах животного и человека. Следует отметить, что суточные ритмы обеспечивают координацию гомеостаза и тесно связаны с ритмами труда и отдыха. Особенно важно знать, какие координационные отношения складываются между адаптивными системами и системами обеспечения организма.
Рациональное и эффективное построение тренировочного процесса в спорте тесно связано с индивидуальными биоритмическими характеристиками спортсменов. Поэтому организация чередования нагрузок и отдыха в соответствии с биоритмами и в сочетании с рациональным использованием природы - весьма актуальная проблема современной спортивной медицины и спортивной педагогики.
I. ОБЗОР БИОЛОГИЧЕСИХ РИТМОВ, ИХ СПЕКТР
Хронобиология – наука, изучающая механизмы биологической временной структуры организма человека, включая ритмические проявления жизни, имеющиеся на всех уровнях организации живой системы. Составной частью хронобиологии является учение о биологических ритмах – биоритмология.
С хронобиологических позиций, сущность здоровья заключается в сохранении архитектоники временной организации биосистемы. Учет закономерностей временной организации организма и биологических ритмов расширяет возможности индивидуализации нагрузки в спортивной тренировке, в построении режима труда и отдыха и может существенно помогать в сохранении энергетических резервов спортсмена, его здоровья и долголетия.
Биологический ритм – это упорядоченное во времени и предсказуемое изменение биологических процессов. Он характеризуется периодом, мезором, акрофазой и амплитудой колебаний.
Период – время между двумя одинаковыми значениями изучаемого показателя, время одного полного колебания.
Мезор – средний уровень значений исследуемого параметра биоритма. Позволяет судить о среднесуточной величине показателя, так как позволяет игнорировать случайные отклонения.
Акрофаза – значение времени, которое соответствует максимуму синусоиды и служит для приблизительной оценки биоритма. Имеет большое значение для фармакологической коррекции.
Амплитуда – величина наибольшего отклонения от среднего уровня значений того или иного параметра от мезора. Характеризует мощность ритма.
Исходя из длительности периода, биоритмы подразделяют на высоко-, средне- и низкочастотные. Частота биоритма – число повторений периодов в единицу времени. При совпадении частот периодов колебаний или акрофаз двух и более 
ритмов происходит их синхронизация, а при достоверном несовпадении возникает десинхроноз (рассогласование).
Спектр всевозможных ритмов жизни охватывает широкий диапазон масштабов времени – от миллисекунд (микроритмы) до нескольких лет и сотен лет (макромегаритмы).
Ритмы можно подразделять по отдельным признакам:
1) по их собственным характеристикам;
2) по биологической системе, в которойнаблюдается ритм;
3) по роду процесса, порождающего ритм;
4) по функции, которую ритм выполняет.
По уровню организации биосистем выделяют клеточные, органнные, организменные, популяционные ритмы.В зависимости от соответствующих ритмически протекающих геофизических и социальных факторов различают следующие эндогенные биоритмы: «циркадианный» (околосуточный), «циркасептальный» (околонедельный), «циркалунарный» (околомесячный), «цирканнуальный» (окологодовой). Ведущим биологическим ритмом считается циркадианный. Это послужило основанием для подразделения всего спектра на ультрадианные и инфрадианные спектры. Лучше изучены ультрадианные ритмы (ритмы двигательной активности, работоспособности, экскреторной функции почек и т.п.).
В основе природы биоритмов лежит принцип синхронизации эндогенных (внутренних) биоритмов экзогенными (внешней среды). Периодически повторяющиеся явления окружающей среды, которые оказывают влияние на частоту и акрофазу биоритма, называются синхронизаторами (датчиками времени). В качестве синхронизатора может служить световая периодика, слабые вариации геофизических полей и т.п.
Наиболее значимыми датчиками времени являются свет и темнота. В основе физиологического механизма может лежать генная обусловленность характеристик циркадианных ритмов. Показано, что основной механизм, ответственный за биоритмы, находится на клеточном и субклеточном уровнях и задается определенной генетической программой, заложенной в «хрононе», представляющем собою участок ДНК, с которого происходит транскрипция РНК с периодом около 24 часов. Это послужило основой для обоснования концепции «биологических часов», заключающейся в том, что организмы обладают врожденными внутренними механизмами, позволяющими измерять время. В настоящее время полагают, что «главные часы» находятся в нейроэндокринных структурах. Временная закономерность биологических систем обозначена термином «хроном» (chronome), который имеет три фразеологических корня: chronos (время), nomos (закономерность) и chromosome (хромосома), чем подчеркивается положение о том, что временная организация живого:
а) подчиняется определенным закономерностям, т.е. предсказуема, и
б) является генетически детерминированной.
Хроном состоит из трех взаимосвязанных компонентов:
1) широкого спектра ритмов различных частот, модулирующих друг друга;
2) трендов – однонаправленных линейных изменений функции, наблюдаемых в процессе роста организма в ходе адаптации к факторам внешней среды (например, к физическим нагрузкам) как следствие развития того или иного патологического процесса, при восстановлении, в процессе старения и т.д., и 3) нерегулярных колебаний функции, представляющих собой детерминистический и недетерминистический хаос. Простейшим примером физиологического показателя, имеющего все три компонента, может служить артериальное давление (циркадианные, ультрадианные и инфрадианные ритмические компоненты, положительный возрастной тренд, эпизодические нерегулярные изменения артериального давления в ответ на экзогенные раздражители). Из трех перечисленных компонентов хронома особый интерес представляет первый. Ритмичность, во-первых, является фундаментальным свойством живой материи и важнейшим условием ее существования и развития, а, во-вторых, знание ритмических закономерностей дает основу для научного прогнозирования. Любой истинный ритм складывается из двух компонентов:
а) эндогенного, связанного с внутренним, генетически закрепленным свойством клеток и органов проявлять ритмические колебания показателей своей жизнедеятельности, и
б) экзогенного, связанного с взаимодействиями организма с окружающей его внешней средой и ответными реакциями на те или иные раздражения. Экзогенный компонент является менее предсказуемым.
Здоровье человека и долголетие зависят от поддержания ритмичности работы органов и систем организма. Биологические ритмы органов и систем взаимосвязаны во времени, и нарушение работы одного органа ведет к постепенному рассогласованию биоритмов всего организма. Как отмечают ученые, рассогласование биоритмов - это первый шаг к заболеванию.
Интеграция колебательных процессов в организме
Ритмичные колебания различных функций организма образуют единый ансамбль, в котором прослеживается строгая упорядоченная последовательность в активации поведенческих, физиологических и метаболических процессов. В основе временной координации ритмов лежит принцип, согласно которому колебания уровня функционирования различных систем организма, как правило, бывают синхронизированными с ритмами функциональных возможностей этих систем. Изменение интенсивности функционирования нервной, мышечной, эндокринной и других систем происходит в сравнительно короткий срок (микроритмы). Например, наименьшее время, на которое может реагировать мозг и нервная система человека, составляет 0,5 - 0,8 с. Сокращения сердца происходят в интервале 0,4 – 1,8 с. Такой же темп имеют движения рук и ног во время ходьбы. Интервал времени, 0,5 – 0,7 с соответствует скорости реагирования слухового и зрительного анализаторов.
Для структурного и субстратного обеспечения функций организма требуется значительно большее время – часы, дни (мезоритмы). Кроме того, существуют макроритмы (больше одного месяца), например, изменения физиологических и психических показателей организма человека с периодом близко к трём или 5 – 7 годам.
Важным условием эффективного функционирования биосистемы является синхронизация во времени запроса на определённую функцию с максимумом колебаний функциональной готовности соответствующих звеньев системы. Это, в свою очередь, может быть достигнуто только в результате временной деятельности организма. Условно суточный цикл можно разделить на три фазы, характеризующиеся преобладанием определённых эндокринных и метаболических процессов.
1. Фаза восстановления, которая охватывает у человека первую половину сна. Наряду со структурно-функциональным восстановлением первая половина сна характеризуется усилением процессов долговременного запоминания информации, накопленной в активный период. В этой фазе отмечается повышенная секреция гормонов с анаболическим действием и митотическая активность.
2. Фаза подготовки к активной деятельности разворачивается во второй половине сна и в начале периода бодрствования. Этот период характеризуется увеличением доли парадоксальных стадий сна, которые играют важную роль в творческой переработке и упорядочении информации.
3. Фаза активности характеризуется высоким уровнем бодрствования, что выражается в преобладании высокочастотных ритмов электроэнцефалограммы (ЭЭГ) и усилении мощности сверхвысокочастотной компоненты в сердечном ритме, нервной, моторной и вегетативной реактивностью на внешние воздействия. Для этого периода характерно увеличение функциональной активности симпато-адреналовой системы с выделением кортикостероидов.
Наряду с прямым действием гормонов на организм и ткани участие центральных механизмов в интеграции множества колебательных процессов в организме может осуществляться через циклические изменения физико-химических параметров внутренней среды, например, суточных колебаний температуры тела, нашего равновесия, концентрации биоэнергетических субстратов.
Принцип циркадных организаций биоритмов
Временная организация биосистемы – не просто комплекс биоритмов организма. Она характеризуется механизмами регуляции, связями с внешней средой и взаимодействием между ритмами. Схематично она содержит также следующие компоненты:
· блок регуляции временной организации;
· блок, воспринимающий сигналы регуляции;
· блок, выполняющий эффекторные (исполнительные) функции;
· блок, который связывает временную организацию биосистемы с внешней средой и другими системами.
С позиции взаимодействия организма и среды, различают два типа колебательных процессов: адаптационные ритмы или биоритмы – колебания с периодами, близкими к основным геофизическим циклам; их роль состоит в адаптации организма к периодическим изменениям внешней среды; физиологические или рабочие ритмы – колебания, которые отражают временной компонент деятельности физиологических систем организма. В организме человека существует более 100 биологических ритмов, которые отражают разные физиологические и психофизиологические функции.