История развития хронобиологии

История развития хронобиологии

С древних времен хорошо известно, что в зависимости от времени суток листья и лепестки растений могут совершать определенные движения. Еще в 1745 году Карл Линней опубликовал свои «цветочные часы», которые позволяют по времени распускания и закрытия цветов определять время суток. В 1751 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. Цикличностью жизненных процессов люди интересовались издавна. Понятие ритма является одним из главнейших в древней китайской медицине. Оно основывается на чередовании Ян и Инь, а также на смене сезонов, дня и ночи, лунных месяцев и так далее. Ритмы связаны с понятием времени: физическим, биологическим, под которым понимается соответствующая эволюция в филогенезе. Биологическое время может отобразить спираль с постоянно поступающим или возрастающим направлением, тогда как физическое время отображает движение по кругу. Многие разделы современной хронобиологии напрямую перекликаются с дошедшими до нас древними восточными теориями о ритмически происходящих процессах в живом организме. Согласно этим представлениям, каждому органу соответствует определенное время суток, в течение которого этот орган наиболее чувствителен к внешним воздействиям (как повреждающим, так и исцеляющим). У сердца, например, этот пик приходится примерно на час дня, а у желчного пузыря - на час ночи. Замечательное совершенство и глубокий смысл таких систем, как 12-летний "календарь животных", становятся понятными при сопоставления этих наблюдений с самыми разными биологическими явлениями. С древнейших времен в странах Восточной и Юго-Восточной Азии при составлении календарей большое значение придавали периодичности движения Солнца, Луны, Юпитера и Сатурна. Существенно важно, что элемент этой календарной системы - 12-летний цикл - тесно связан с применением одного из древнейших терапевтических средств восточной медицины - акупунктуры. Чтобы достичь возможно большего лечебного эффекта, необходимо воздействовать на определенные активные точки с учетом фазы 12-летнего цикла (как и времени суток).  
В Европе цикличность жизненных процессов была подмечена еще писцом Александра Македонского - Андростеном в 4 веке до н.э. Осознание периодичности земных циклов и их влияния на все живое, включая человека, было присуще таким корифеям, как Пифагор, Гиппократ, Птолемей. Значительный вклад в изучение времени и его цикличности внес Аврелий Августин - бесспорно один из самых блистательных умов того недолгого периода в истории европейской культуры, который можно назвать христианской античностью. Он по существу явился отцом всей западной средневековой философии и пристально занимался такой проблемой, как восприятие человеком времени. Очевидно, что Аврелий Августин может по праву считаться ритмологом и даже одним из основоположников ритмологии, как науки. Позднее немецкий астроном и математик Иоганн Мюллер, известный также как Региомонтан (1436-1476) - разработал сферическую тригонометрию, ставшую основой для биоритмологии. В 1472 г. опубликовал работу о влиянии комет. Автор первых печатных астрономических таблиц, которыми пользовались Васко да Гама, Христофор Колумб и другие мореплаватели. Разработал метод "лунных расстояний" для нахождения широты и долготы на море. Региомонтан завершил перевод "Альмагеста" Птолемея на латинский язык, начатый Пурбахом, и написал комментарий к нему. В 1474 г. Региомонтан был призван в Рим папой Сикстом IV для реформы календаря, а также для астрологических советов по ведению войны с Флоренцией. В 1632 году английский естествоиспытатель Джон Врен в своем "Трактате о травах" ("Herbal Treatise") впервые описал дневные циклы тканевых жидкостей в организме человека, которые он, следуя терминоло гии Аристотеля, назвал "гуморы" (лат. humor - жидкость). Каждый из "приливов" тканевой жидкости, по мнению Врена, длился шесть часов. Гуморальный цикл начинался в девять часов вечера выделением первой гуморы желчи - "сhole" (греч. cholе - желчь) и продолжался до трех утра. Затем наступала фаза черной желчи - "melancholy" (греч. melas - черный, chole - желчь), за которой следовала флегма - "phlegma" (греч. phlegma - слизь, мокрота), и, наконец, четвертая гумора - кровь. 
Конечно, соотнести гуморы с известными ныне физиологическими жидкостями и тканевыми секретами невозможно. Современная медицинская наука никакой связи физиологии с мистическими гуморами не признает. И все же описанные Вреном закономерности смены настроений, интеллектуальных возможностей и физического состояния имеют вполне научную основу. Наука, изучающая суточные ритмы организма, называется хронобиологией (греч. chronos - время). Ее основные понятия сформулиро вали выдающиеся немецкий и американский ученые профессора Юрген Ашофф и Колин Питтендриг, которых в начале 80-х годов прошлого века даже выдвигали на соискание Нобелевской премии. Но высшую научную награду они, к сожалению, так и не получили. 
Главное понятие хронобиологии - дневные циклы, длительность которых периодична - около (лат. circa) дня (лат. dies). Поэтому сменяющие друг друга дневные циклы называются циркадными ритмами. Эти ритмы напрямую связаны с циклической сменой освещенности, то есть с вращением Земли вокруг своей оси. Они есть у всех живых существ на Земле: растений, микроорганизмов, беспозвоночных и позвоночных животных, вплоть до высших млекопитающих и человека. 
Каждому из нас известен циркадный цикл "бодрствование - сон". В 1959 году Ашофф обнаружил закономерность, которую Питтендриг предложил назвать "правилом Ашоффа". Под этим названием оно вошло в хронобиологию и историю науки. Правило гласит: "У ночных животных активный период (бодрствование) более продолжителен при постоянном освещении, в то время как у дневных животных бодрствование более продолжительно при постоянной темноте". И действительно, как впоследствии установил Ашофф, при длительной изоляции человека или животных в темноте цикл "бодрствование - сон" удлиняется за счет увеличения продолжительности фазы бодрствования. Из правила Ашоффа следует, что именно свет определяет циркадные колебания организма. Первые исследования суточных ритмов у человека (частота сердечных сокращений, частота мочеиспусканий, температура тела) были проведены в первой половине XIX века. В учебниках этого периода по физиологии человека можно встретить указания на существование эндогенных (возникающих в самом организме) ритмических функций. В 1928 году Forsgren открыл суточный ритм секреции желчи и накопления глюкозы в печени. В 1936 году была окончательно установлена эндогенная природа суточных ритмов цветов и растений, для чего были исключены любые внешние воздействия. Другими вехами развития хронобиологии стали открытие ориентации пчел и птиц в полете по солнцу, анализ координации ритмических функций, а также подтверждение эндогенных циркадианных ритмов человека. За счет исследований космоса, особенно за счет исключения влияния земного времени был дан новый импульс становлению хронобиологии как науки. Основной интерес при изучении биологических ритмов по-прежнему уделяется суточным, лунным и годовым ритмам, особенно с точки зрения экзогенной и эндогенной регуляции «внутренних часов».

Открытие супрахиазматического ядра

В 1972 году двум группам американских исследователей удалось показать, что  супрахиазматическое ядро и есть центр управления биологическими часами организма. Для этого они разрушили ядро в мозге мышей микрохирургическим путем. Роберт Мур и Виктор Эйхлер обнаружили, что у животных с нефункционирующим супрахиазма -тическим ядром пропадает цикличность выброса в кровь гормонов стресса - адреналина и глюкокортикоидов. Другая научная группа под руководством Фредерика Стефана и Ирвина Цукера изучала двигательную активность грызунов с удаленным "циркадным центром". Обычно мелкие грызуны после пробуждения все время находятся в движении. В лабораторных условиях для регистрации движения к колесу, в котором животное бежит на месте, подсоединяется кабель. Мышки и хомячки в колесе диаметром 30 см пробегают 15-20 км за день! По полученным данным строятся графики, которые называются актограммами. Оказалось, что разрушение супрахиазматического ядра приводит к исчезновению циркадной двигательной активности животных: периоды сна и бодрствования становятся у них хаотичными. Они перестают спать в течение циркадной ночи, то есть в светлое время суток, и бодрствовать циркадным днем, то есть с наступлением темноты. 
Супрахиазматическое ядро - структура уникальная. Если ее удалить из мозга грызунов и поместить в "комфортные условия" с теплой питательной средой, насыщенной кислородом, то несколько месяцев в нейронах ядра будут циклически меняться частота и амплитуда поляризации мембраны, а также уровень выработки различных сигнальных молекул - нейротрансмиттеров, передающих нервный импульс с одной клетки на другую. 
Что помогает супрахиазматическому ядру сохранять такую стабильную цикличность? Нейроны в нем очень плотно прилегают друг к другу, формируя большое количество межклеточных контактов (синапсов). Благодаря этому изменения электрической активности одного нейрона мгновенно передаются всем клеткам ядра, то есть происходит синхронизация деятельности клеточной популяции. Помимо этого, нейроны супрахиазматического ядра связаны особым видом контактов, которые называются щелевыми. Они представляют собой участки мембран соприкасающихся клеток, в которые встроены белковые трубочки, так называемые коннексины. По этим трубочкам из одной клетки в другую движутся потоки ионов, что также синхронизирует "работу" нейронов ядра. Убедительные доказательства такого механизма представил американский профессор Барри Коннорс на ежегодном съезде нейробиологов "Neuroscience-2004", прошедшим в октябре 2004 года в Сан-Диего (США). 
По всей вероятности, супрахиазматическое ядро играет большую роль в защите организма от образования злокачественных опухолей. Доказательство этого в 2002 году продемонстрировали французские и британские исследователи под руководством профессоров Франсис Леви и Майкла Гастингса. Мышам с разрушенным супрахиазматическим ядром прививали раковые опухоли костной ткани (остеосаркома Глазго) и поджелудочной железы (аденокарцинома). Оказалось, что у мышей без "циркадного центра" скорость развития опухолей в 7 раз выше, чем у их обычных собратьев. На связь между нарушениями циркадной ритмики и онкологическими заболеваниями у человека указывают и эпидемиологические исследования. Они свидетельствуют о том, что частота развития рака груди у женщин, длительно работающих в ночную смену, по разным данным, до 60% выше, чем у женщин, работающих в дневное время суток.

Биологический ритм - это колебательный процесс, приводящий к воспроизведению биологического явления или состояния биологической системы через приблизительно равные промежутки времени.

Вполне  естественно, когда мы, например, ощущаем вечером сонливость и отправляемся спать, подчиняясь по существу своим биологическим часам. Еще более понятным и не требующим особых пояснений кажется нам появление с наступлением темноты ощущения усталости, которое, собственно, и вызывает сонливость. Но если человек на протяжении нескольких недель находится, ничего не делая, в полутемном помещении, куда не проникают никакие звуки, то и тогда он будет засыпать и просыпаться примерно каждые 24 часа, как бы отмеряя сутки за сутками.

В жизнедеятельности  растений и животных помимо сна немало проявлений и других ритмов: более 2400 лет назад Гиппократ писал о подъемах и падениях, присущих физическому состоянию людей, почти 300 лет назад (1729) французский математик и астроном Жан жак де Меран обнаружил 24-часовую периодическую активность у растений, в дальнейшем Христофор Гуфелянд (1797), рассматривая колебания температуры тела у здоровых и больных пациентов, высказал предположение о том, что в организме существуют "внутренние часы", ход которых определяется вращением Земли вокруг своей оси. Он впервые обратил внимание на универсальность ритмических процессов у биологических объектов и подчеркнул, что наша жизнь, очевидно, повторяется в определенных ритмах, а каждый день представляет маленькое изложение нашей жизни. Прогрессивное развитие учения о биологических ритмах провело к возникновению новой междисциплинарной фундаментальной науки - хронобиологии, которая изучает закономерности осуществления процессов жизнедеятельности организма во времени. Учение о биологических ритмах стало составной частью хронобиологии. Однако до настоящего времени, несмотря на внедрение методов хронобиологии в другие области исследования живых систем и формирование в медико-биологической науке новых направлений (хрономедицна, хронофармакология, хронопатология и т.д.), ученые так и не выработали единый словарь для новой науки, в результате чего проявления хронобиологических феноменов нередко именуют неодинаково, а термины, уже закрепленные, применяют в ином смысле или пытаются пересмотреть более или менее устоявшиеся термины. В процессе ознакомления с предметом мы рассмотрим эти противоречия.

Спектр  биологических ритмов

В настоящее время  существует несколько определений  биологического ритма, но наиболее полно  раскрывает суть следующее: биологические  ритмы - регулярное, периодическое повторение во времени характера и интенсивности жизненных процессов, отдельных состояний или событий.

Биологические ритмы  охватывают широкий диапазон периодов – от миллисекунды до нескольких лет. Их можно наблюдать в отдельных  клетках, тканях и органах, в целых организмах и отдельных популяциях. Существует несколько классификаций биологических ритмов.   Во-первых, биоритмы делят по уровням организации биосистемы на клеточные, органные, организменные, популяционные. Во-вторых,  биологические ритмы подразделяют на  экзогенные и эндогенные в зависимости от того каким фактором порождается ритм – внешним или же он возникает внутри самой биосистемы.

           I. Экзогенные ритмы регулируются  внешними факторами. В понятиях  физики - экзогенные ритмы подобны вынужденным колебаниям в пассивных системах, то есть в системах, в которых колебания возможны только под действием внешних периодических возмущений или сигналов (вынуждающих сил) и затухают, когда внешнее воздействие становится постоянным.

II. Эндогенные ритмы – это ритмы, задаваемые внутренними водителями ритма. Эндогенные ритмы часто уподобляют самоподдерживающимся  колебаниям (автоколебаниям) в активных системах, то есть системах, колебания в которых при постоянном поступлении энергии продолжаются не затухая. Более широкое определение эндогенных колебаний включает  и свободные затухающие колебания в пассивной системе, для которых в биологии нет специального термина, но которые могут встречаться в биологических системах.

Известный хронобиолог  Ф. Хальберг в 1964 году  разделил все биологические ритмы на следующие группы:

Инфрадианные  ритмы  некоторые авторы делят на циркасептанные ритмы с периодом 7±3 сут.; циркадисептанные - с периодом 14±3 сут.; циркавигинтанные - с периодом 21±3 сут.; циркатригинтанные - с периодом 30±5 сут.;

Латенков В.Н. в 1993 году предложил свою классификацию биоритмов:

1. Ритмы молекулярного уровня с периодом секундно-минутного диапазона;
2. Клеточные ритмы – от около часовых до около годовых;
3. Организменные ритмы – от околосуточных до многолетних;
4. Популяционно-видовые ритмы – от окологодовых ритмов до ритмов длительностью десятки, сотни и тысячи лет;
5. Биогеоценотические ритмы – от сотен тысяч лет до миллионов лет;
6. Биосферные ритмы – с периодом сотни миллионов лет.

Некоторые ученые предлагают разделить биоритмы на физический цикл (с длиной периода в 23 дня), эмоциональный  цикл (период 28 дней) и интеллектуальный цикл (период 33 дня). В этом случае считается, что первая (положительная) половина каждого из трех биоритмов характеризуется нарастанием, а вторая (отрицательная) — спадом активности. При этом дни перехода положительной фазы в отрицательную называют критическими, и в случае их совпадения во всех трех ритмах определяют как наиболее опасные. Кроме этого среди ученых имеется мнение, что в организме существуют биоритмы, которые "работают" по собственной программе роста и развития организма (инертные), и биоритмы, обеспечивающие жизнеспособность организма при воздействии факторов окружающей среды (лабильные).

Кроме выше сказанного, следует  подчеркнуть, что среди биоритмов  есть как инертные, так и лабильные, которые по-разному относятся  к воздействию внешних ритмов. Причем большое количество разнообразных биоритмов не просто сосуществует в организме, они взаимосвязаны между собой сложной иерархией взаимозависимостей.

Биологические ритмы  описываются рядом характеристик: периодом, амплитудой, фазой, средним  уровнем, профилем. К основным параметрам ритма относятся: длительность периода Т, корреляционное отношение - мезор М, амплитуда А и фаза Ф. Периодом называется время между одинаковыми состояниями соседних циклов. Число циклов, завершившихся в единицу времени, называется частотой процесса. Простой колебательный сигнал (цикл) характеризуется мезором, амплитудой и фазой. Мезор - величина, соответствующая среднему значению полезного сигнала. Амплитуда - наибольшее отклонение сигнала от мезора. Фаза - момент цикла, когда регистрируется конкретная величина сигнала. Длительность цикла принимается за 360° или 2п радиан. Момент наибольшего подъема называют акрофазой, момент наибольшего спада - батифазой.