Общие представления о биологических ритмах

Ритмичность биологических процессов является неотъемлемым свойством живой материи.

Биологический ритм – это самоподдерживающийся, автономный процесс периодического чередования состояний организма и колебаний интенсивности физиологических процессов и реакций.

Биологические ритмы рассматриваются не просто как повторение некоторого состояния в биологической системе через более или менее регулярные промежутки времени, а как приобретение организмом нового состояния [17].

Согласно В.И. Вернадскому ритмические колебания физиологических процессов с позиции биоэнергетики наиболее экономичны и соответствуют оптимальной организации любой биологической системы, в том числе и человеческого организма [18].

Биологические ритмы являются фундаментальным атрибутом живых систем и отражают эволюционную адаптацию организмов к периодике геофизических циклов Земли.

Периодические изменения внешней среды, близкие по продолжительности к периодике ритмов биологических систем, выступают в роли временных кодов, или датчиков времени, и навязывают организмам свой период.

Со временем навязанный средой ритм становится эндогенным и наследуемым, если продолжительность жизни организма значительно превышает период ритма. Возможность затягивания ритма означает его способность к постепенной эволюции в том случае, если временной код среды будет меняться, т.е. будет изменяться продолжительность периода датчика времени.

Если рассматривать эволюцию суточного ритма, связанного со скоростью вращения Земли вокруг своей оси, то окажется, что за последние 600 млн лет время оборота Земли вокруг Солнца не изменилось, а ее оборот вокруг своей оси, напротив, замедлялся примерно на 2 секунды за каждые 100 тысяч лет.

Отсюда следует, что в Архее (I эра развития жизни на Земле, которая продолжалась более 1 млрд лет) длительность суток составляла 10-12 часов, в Протерозое (II эра жизни на Земле, продолжавшаяся около 2 млрд лет) – 16-18 часов, в середине Палеозоя (III эра жизни на Земле, длившаяся 340 млн лет) – 21 час. В настоящее время, как известно, сутки имеют продолжительность 24 часа.

Следовательно, ритм эволюционно складывался как процесс с выраженной адаптивной ценностью, основанной на лабильности ритма, так как жесткая детерминация параметров ритма исключала бы его преобразование. О лабильности биологических ритмов свидетельствуют многочисленные факты:

- затухание колебаний в постоянных (неритмических) условиях среды;

- инверсия ритма при инверсии датчиков времени (так, если искусственно поменять день на ночь, а ночь на день, то через относительно непродолжительное время сместятся во времени и максимумы активности организма);

- феномен навязывания ритма (например, при перелетах с запада на восток или наоборот происходит и сдвиг времени активности);

- сдвиг фазы ритма при смене времен года или при переводе стрелок на 1 час весной и осенью.

Все биологические ритмы, характерные для организма животных и человека, можно подразделить на три группы с учетом длительности их периода [18].

1. Высокочастотные ритмы с периодом до 0,5 часа. К ним относятся ритмы частоты пульса, дыхания, электроэнцефалограммы и др.

2. Среднечастотные ритмы с периодом от 0,5 часа до 6 дней подразделяются на ультрадианные (период 0,5-20 часов), циркадианные (период 20-28 часов) и инфрадианные (период от 28 часов до 6 дней).

3. Низкочастотные ритмы включают недельный ритм (около 6 дней), месячный, или лунный, ритм (около 30 дней), сезонный и годичный ритмы. В последние годы также обнаружены низкочастотные ритмы с периодами 2-3 года и 6-9 лет.

Основой любого ритма является периодический волновой процесс, графически представленный косинусоидой и характеризующийся рядом параметров (рисунок 1):

Рисунок 1. Показатели биологических ритмов.

Параметры ритмического процесса:

- фаза ритма – любая точка на кривой ритма (в часах); выделяют точку максимального значения функции (акрофаза) и минимального (батифаза);

- период ритма – расстояние между аналогичными точками кривой в часах (для суточного ритма период равен 24 час);

- мезор – среднее значение показателя за период ритма;

- относительная амплитуда – половина разности между максимальным и минимальным значением ритма (измеряется в абсолютных значениях или в процентах изменений от мезора);

- абсолютная амплитуда – разность между акрофазой и батифазой (измеряется в абсолютных величинах).

Кроме того, можно описывать и форму кривой, поскольку степень наклона восходящей (увеличение активности) или нисходящей части кривой (снижение активности) свидетельствует о реактивности биологической системы.

Биологические ритмы можно различать и по признаку их функционального значения. Так, выделяют экологические (или адаптивные) и функциональные ритмы.

Среди биологических ритмов функциональные занимают важное место, так как они обеспечивают осуществление программы жизни. Продолжительность периодов этих ритмов колеблется от долей секунды (ритмы биоэлектрической активности головного мозга), секунд-минут (биохимические циклы, ритмы частоты сердцебиений и дыхания), часов (ритмы синтеза белка и ряда гормонов) до 6-9 лет (ритмы онтогенетических перестроек организма человека). Все эти ритмы имеют выраженную наследственную компоненту.

Среди адаптивных ритмов следует выделить две подгруппы. К первой относятся те экологические ритмы, период которых также наследственно запрограммирован, но периодичность средового компонента в их реализации играет существенную роль. Это обусловлено тем, что период ритмов среды примерно соответствует продолжительности того или иного ритма организма. К адаптивным ритмам этого типа относятся суточные, лунные и сезонные (годовые) циклы.

Вторая подгруппа экологических ритмов – это большей частью низкочастототные ритмы, период которых индуцируется внешними периодическими факторами. Роль наследственной компоненты при реализации этих ритмов или проблематична или (чаще всего) отсутствует. К подобным ритмам можно отнести биологические циклы, обусловленные изменениями солнечной активности. Это в основном ритмы популяционно-видового уровня, например 11-ти летние циклы, хотя к ним можно отнести и ряд многодневных и многолетних циклов с не вполне четким периодом и низкой амплитудой [20].

Естественно, что между описанными ритмами должны существовать определенные отношения. Общая теория взаимодействия ритмов внутри биологической системы в настоящее время отсутствует, хотя вопросы взаимоотношений сезонных и особенно суточных ритмов активно разрабатываются.