Часть III. Биологические ритмы организма.

Более 250 лет назад французский астроном Жан-Жак д'Орту де Меран, заметив, что цветок гелиотропа раскрывается днем и закрывается ночью, решил проверить, обусловлено ли движение лепестков реакцией на свет и темноту. Он спрятал растение в темную комнату и начал наблюдать за ним. Оказалось, что цветок не только продолжал раскрываться и закрываться в отсутствие света, но его цикл в точности соответствовал смене дня и ночи. Астроном пришел к выводу, что ритмы растения контролируются каким-то внутренним механизмом.

Цветы с такой пунктуальностью ежедневно раскрывают и закрывают свои лепестки, что великий биолог Карл Линней спроектировал цветочные часы, состоящие из различных видов цветущих растений, которые распускались поочередно от 6 часов утра до 6 часов вечера.

Реакция цветка на свет - он раскрывается на свету и закрывается в темноте - называется - фототропизм.

Наследственность, которая заставляет пеночек-весничек готовиться к перелету, а золотистого суслика приблизительно в то же самое время года - к спячке, без сомнения, отражает длительную эволюционную историю вида. Если бы животные, прежде чем начать готовиться к смене сезонной активности, стали дожидаться наступления определенных внешних событий, их выживание было бы более проблематичным. Продолжительное «бабье лето» в Скалистых горах могло бы, например, замедлить процесс отложения жира у суслика, и внезапная снежная буря оказалась бы для него гибельной. Вот почему биологические часы суслика должны игнорировать большую часть внешних сигналов.

Это, однако, не значит, что они вообще неподвластны воздействию внешних условий. Когда экспериментаторы содержали сусликов при постоянной температуре 35°С, близкой к нормальной температуре тела этих животных, спячка у них не наступала, но годичные циклы прибавки и потери веса сохранялись. Таким образом, по крайней мере один из факторов среды - температура - может воздействовать на некоторые генетически запрограммированные ритмы.

Другой фактор, который может иметь решающее значение для синхронизации ряда ритмов, - это свет. Цветок гелиотропа, занесенный в помещение и находившийся все время в полной темноте, продолжал раскрываться и закрываться в том же ритме, что и раньше на свету. Однако дальнейшие эксперименты показали, что у сеянцев некоторых видов, выращенных в полной темноте, характерные ритмы вообще отсутствовали до тех пор, пока растение хотя бы однажды не было выставлено на свет. Этого было достаточно для запуска генетического механизма, ответственного за открывание и закрывание лепестков под влиянием света и темноты (Bunning, 1967).

Ритмы, наблюдаемые у некоторых птиц, тоже зависят от количества и интенсивности света. Зяблики, подобно большинству птиц, активны в дневные часы и отдыхают ночью. Однако, если их почти круглосуточно держать в полумраке и лишь на 15 минут каждый день включать яркий свет, то цикл активности у этих птиц будет определяться периодами сильной освещенности. Если такой период наступает рано, вскоре после пробуждения птиц, они раньше становятся активными и их цикл ускоряется; если же свет включать позднее, то будет запаздывать и период наибольшей активности (Ashoff et al., 1971).

Ученые пользуются термином «времязадатели» (перевод немецкого слова Zeitgeber) для обозначения средовых факторов, влияющих на биологические ритмы. Как могут времязадатели воздействовать на биологические часы организма? И какие физиологические механизмы лежат в основе самих часов?

Любые биологические часы, зависящие от света, должны включать три элемента:

входной канал, по которому свет или информация о нем достигает пейсмейкера и воздействует на него;

пейсмейкер-генератор и регулятор ритма;

выходной канал, по которому передаются сигналы, возбуждающие ритмическую деятельность.

У многих животных роль биологических часов, подверженных действию света, выполняет эпифиз (шишковидная железа).

Входной канал

Пути, по которым информация об освещенности передается эпифизу, у разных животных различны. У крыс это определенные волокна зрительного тракта, образующие отдельную ветвь, не связанную со зрением. У птиц восприятие света осуществляется как с помощью глаз, так и прямо сквозь череп. Эпифиз, удаленный у курицы и помещенный в питательную среду, реагирует на изменения освещенности. Этот эксперимент показывает, что по крайней мере в курином эпифизе имеются собственные фоторецепторы.

Пейсмейкерная активность

В эпифизе происходит превращение серотонина в гормон мелатонин, который выделяется в кровяное русло. Мелатонин, служит посредником в тех функциях эпифиза, которые связаны с учетом времени и световыми циклами. Например, у некоторых ящериц мелатонин, видимо, вызывает посветление кожи, наблюдаемое при наступлении темноты. У воробьев и кур содержание циркулирующего в крови мелатонина обусловливает нормальные циркадианные ритмы дневной активности и ночного покоя, а также циклические изменения температуры тела. (После инъекции мелатонина воробьи, например, засыпают.)

Процесс превращения серотонина в мелатонин состоит из двух этапов, и его осуществляют два фермента, синтезируемые в эпифизе. Один из этих ферментов - N-ацетилтрансфераза. От ее активности зависит количество мелатонина, выделяемого эпифизом в кровь, а оно в свою очередь контролирует такие физиологические ритмы, как циклические изменения температуры тела, и такие поведенческие ритмы, как цикл сна и бодрствования. Поэтому некоторые ученые считают, что N-ацетилтрансфераза служит для этих функций синхронизирующим фактором.

У многих животных как с дневным, так и с ночным образом жизни наивысшая активность N-ацетилтрансферазы всегда приходится на темное время суток. У кур активность N-ацетилтрансферазы ночью в 27 раз выше, чем днем, а количество мелатонина в 10 раз выше, причем пики обеих величин приблизительно совпадают по времени. При возрастании количества мелатонина куры садятся на насест, засыпают и температура тела у них понижается.

Поскольку число светлых и темных часов в сутках на протяжении года изменяется, свет должен каким-то образом влиять на активность N-ацетилтрансферазных «часов». Эксперименты на курах показали, как это происходит (Binkle, 1979). У кур, все время находящихся в темноте, сохраняется 24-часовой ритм N-ацетилтрансферазы, а при непрерывном освещении количество фермента уменьшается. Но еще интереснее то, что у кур, выращенных в условиях чередования 12-часовых периодов света и темноты и внезапно подвергшихся действию света во время одного из «темных» периодов, активность фермента резко падает. Эта реакция указывает на чувствительность эпифиза к свету. Правда, обратной реакции при внезапном выключении света во время обычного светлого периода исследователи не отмечали. Возможно, это означает, что эпифиз не всегда одинаково чувствителен к изменениям освещенности - что в течение суток есть периоды, когда его ритм не подвержен влиянию внешних условий.

Эпифиз чувствителен к изменениям освещенности во время периодов темноты - в ночные часы в курятнике. С помощью этого органа птицы могли бы как-то определять разницу в продолжительности следующих друг за другом ночей. Утренний свет, достигая эпифиза, уменьшает активность N-ацетилтрансферазы, что в свою очередь снижает количество выделяемого мелатонина. С уменьшением концентрации мелатонина в крови у кур повышается температура тела, и они приступают к своей каждодневной деятельности - кормежке и разгребанию сора. Поскольку рассвет летом может начинаться в 4.30, а зимой - в 6.30, эпифизарные биологические часы должны ежедневно устанавливаться заново, сохраняя при этом общую продолжительность цикла, равную 24 часам.

Механизм биологических часов у кур ясен. Однако у человека хронометрическая роль эпифиза до конца не установлена. Даже между курами и крысами существуют большие различия в способе воздействия света на эпифиз, в нервной регуляции активности N-ацетилтрансферазы и в химических процессах, влияющих на этот фермент. Например, у крыс норадреналин, выделяемый симпатическими нервами эпифиза, стимулирует активацию фермента, а у кур - тормозит ее. У человека некоторые из «часов», определяющих физиологические ритмы, быть может, тоже используют механизм, сходный с внутренним ритмом активности N-ацетилтрансферазы в эпифизе. Однако ничего пока нельзя сказать с уверенностью, так как возможности проведения экспериментов на человеке ограниченны.

Глава 2. Циркадианные ритмы у человека

2.1 Ритмы у человека.

2.2 Сон и бодрствование.

Сон - это специфическое состояние нервной системы с характерными особенностями и циклами мозговой деятельности. Человек засыпает не постепенно, а сразу - переход от состояния бодрствования к состоянию сна совершается мгновенно. Это было показано Уильямом Дементом. Суть его опытов заключалась в следующем: испытуемому, который лежал и готовился ко сну, пластырем закрепляли веки так, что глаза его оставались открытыми, а затем через каждые одну или две секунды включали световую вспышку; испытуемый должен был при виде вспышки каждый раз нажимать на кнопку. Постепенного угасания реакции нажатия на кнопку обнаружено не было. Действие - а значит, и восприятие - прекращалось внезапно, когда испытуемый засыпал, хотя глаза его оставались широко открытыми.

Ученые пока не знают, каково назначение сна, но он, очевидно, представляет собой биологическую потребность нашего вида. Кто-то сказал, что сон существует для того, чтобы «помешать нам бродить в потемках и натыкаться на вещи». Тот, кто хоть раз устраивался на ночлег в дикой местности, как это делали наши примитивные предки, найдет в этой фразе больше здравого смысла, нежели простого остроумия.

Сон, регулируется взаимодействием групп нейронов, находящихся в разных участках мозга, в том числе в ретикулярной формации, ядрах шва и голубом пятне. Ретикулярная формация - это особая структура внутри моста и верхней части мозгового ствола в пределах заднего мозга, которая играет важную роль в процессе пробуждения. Ядра шва, тоже находящиеся в осевой части заднего мозга, вызывают сон путем торможения ретикулярной формации. Серотонин - основной медиатор ядер шва - и является тем фактором, который индуцирует сон. Недостаток серотонина заставляет животное бодрствовать. Норадреналин, с другой стороны, стимулирует пробуждение, а голубое пятно - одна из областей моста - это главное скопление нейронов, содержащих норадреналин. При повреждении голубого пятна животные спят намного больше, чем обычно.

Как именно взаимодействуют между собой эти мозговые структуры и их медиаторы, сказать достаточно сложно, но то, что они взаимодействуют в процессе регуляции сна и бодрствования, не вызывает сомнений. Например, после перерезки нервных путей, идущих от голубого пятна к ядрам шва, у животного наблюдается временное сокращение сна - как фазы БДГ, так и остальных фаз.

Другие образования - супрахиазменные ядра гипоталамуса, ответственны за распределение сна в суточном цикле, но не за его общую продолжительность. Разрушение этих ядер у крыс приводит лишь к тому, что животные спят урывками в разное время суток - вместо обычного для них длительного сна в дневное время (Ibuka, Kawamura, 1977).

Далеко не всем людям требуется 8 часов ночного сна. Продолжительность сна, в котором они нуждаются или думают, что нуждаются, сильно варьирует: одни превосходно чувствуют себя после 4 или 5 часов ночного сна, тогда как другие не ощущают себя отдохнувшими, не проспав 8-9 часов. Но какова бы ни была длительность сна, для всех людей характерна склонность всегда придерживаться одного и того же распорядка сна и бодрствования.

Большинство из нас строит свою жизнь на основе определенных «стандартов». Помимо циклической смены света и темноты мы находим в окружающей среде (или создаем сами) много других «времязадателей». В определенное время мы едим, ходим на работу или в школу, возвращаемся домой. Наша культурная жизнь тоже упорядочена: мы ходим в гости или в кино обычно по вечерам и крайне редко - утром. У большинства из нас, конечно же, есть при себе часы, или мы «следим за временем» с помощью городских часов. Какое влияние оказывают эти внешние временные сигналы на наши биологические ритмы? И во что превратятся наши дни и ночи, если мы лишимся таких сигналов?

В ряде экспериментов испытуемые добровольно соглашались провести длительное время в изоляции - не только без других людей, но и без каких бы то ни было внешних сигналов, позволяющих судить о времени. Удивительнее всего то, что у этих людей после нескольких недель изоляции обнаруживалась тенденция к установлению циклов, близких к 24,8-часовым лунным суткам.

Если человек долго не получает никаких указаний относительно времени, его циркадианный ритм становится, как говорят, «свободнотекущим». Как показали наблюдения над Мишелем Сиффром, находившимся в течение двух месяцев в изоляции под землей, его «сутки» по большей части были длиннее 24 или 25 часов и крайне редко короче.

Другой испытуемый, Дэвид Лафферти, провел в пещере 127 дней. Вначале его циклы были абсолютно беспорядочны. Иногда его «сутки» составляли 19 часов, из которых 10 он бодрствовал, а 9 - спал; иногда - 53 часа, из которых он бодрствовал 18, а спал-35. К концу эксперимента установился цикл длительностью около 25 часов.

Таким образом, при полном отсутствии внешних времязадателей наши цикль сна и бодрствования утрачивают свою регулярность. Значение общественного распорядка отчетливо проявляется в Арктике, где зимой царит постоянная тьма, а летом все время светло. Тем не менее у живущих там эскимосов сохраняются регулярные циклы сна и бодрствования.

Некоторые обстоятельства современной жизни, однако, способствуют нарушению циклов сна: путешествия на самолетах, работа в разные смены, бессонница. Влияют ли эти изменения на другие ритмы нашего тела? Вызывают ли они десинхронизацию различных процессов, и если да, то каковы физические и психологические последствия этого?

2.3 Когда сдвигаются фазы ритма.

Полетная десинхронизация

Один из обычных факторов современной цивилизации, нарушающих четкий ритм жизни многих людей, - это перелеты на дальние расстояния. За 5 часов мы переправляемся с одного океанского побережья Соединенных Штатов на другое, пересекая несколько часовых поясов. А если вы полетите из Сан-Франциско в Лондон, путешествие займет около 8 часов, и когда вы сойдете с самолета, местное время будет на 8 часов опережать соответствующую фазу вашего циркадианного цикла. Скажем, если вы вылетите в полдень, то прилетите в 10 часов вечера (по вашим часам), а в Лондоне в это время будет 6 часов утра.

Большинству из нас знакомы ощущения, связанные с длительными перелетами, по крайней мере по путешествиям с одного океанического побережья на другое. В течение некоторого времени мы чувствуем усталость и раздражительность, плохо спим, иногда испытываем расстройства пищеварения; мы немного угнетены и чувствуем себя - умственно и физически - не в своей тарелке. Эти ощущения возникают в результате десинхронизации ритмов нашего тела, несогласованности двух или нескольких ритмов, которые обычно взаимосвязаны. Десинхронизация происходит из-за сдвига фаз, т.е. изменения соотношений между биологическими часами нашего организма и обычными часами, по которым идет жизнь. Обычно мы ложимся спать, когда температура тела у нас начинает опускаться, а оказавшись в новом месте, мы пытаемся уснуть при ее подъеме. Обычно выброс кортизола надпочечниками происходит перед нашим пробуждением; теперь же волна кортизола захлестывает наше тело в середине дня или перед сном. Иногда в течение нескольких дней после перелета мы просыпаемся разбитыми, а ночью лежим с широко открытыми глазами.

В конце концов ритмы приходят в норму и синхронизируются. Но, поскольку одни ритмы восстанавливаются раньше, а другие позже, для полной их синхронизации требуется некоторое время. Какое именно - зависит от нескольких причин.

Во-первых, скорость восстановления зависит от того, в каком направлении произошел сдвиг. При перелетах в западном направлении биологические часы отстают по отношению к 24-часовому суточному циклу, и для того, чтобы приспособиться к распорядку дня в новом месте, должна произойти фазовая задержка, а после перелетов в восточном направлении - разовое ускорение. организму легче осуществить фазовую задержку, нежели ее ускорение: после перелетов в западном направлении ритмы синхронизируются быстрее. С другой стороны, время, необходимое для адаптации к новым временным рамкам, зависит от физиологии индивида. Люди сильно различаются по своей приспособляемости.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11