Лекция 1-2 ВРЕМЕННАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ МАТЕРИИ Цель
advertisement
Лекция 1-2 ВРЕМЕННАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ МАТЕРИИ Цель лекции: Дать общие представления о временной организации материи вообще, биологических процессов и явлений. Ключевые слова: физическое время, биологическое время, живые системы. Известно, что время как форма существования материи характеризуется длительностью и необратимостью и проявляется в последовательной смене событий (явлениях) и состоянии материи. Для измерения времени обычно используют какое-нибудь повторяющееся, воспроизводимое явление. Таким образом, биологический ритм, характеризующий повторяющуюся последовательность биологических процессов, можно рассматривать, как форму проявления времени в живых системах. Продолжительность биоритмов - длина периода - служит естественной единицей измерения биологического времени. Академик В.И. Вернадский, геохимик, создавший учение о живом веществе, уделял большое внимание вопросам структурам времени. Он считал, что времени должно отвечать свое пространство, и что одно от другого зависит. Изучая строение живого и убеждаясь в правоте тех исследований которых показали, что живому свойственна структурная асимметрия (асимметричное строение молекул в неживом обнаружено только в уме и недостатках живого). Вернадский высказал предположение, что и время в живом должно обладать асимметрией. Он выделил "биологическое время" - "время, связанное с жизненными явлениями, с отвечающим живым организмом пространством". Свойства биологического времени: - Векторность - Явная диссиметрия (направление время от прошедшего к будущему) - Скрытая асимметрия, проявляющаяся в явлениях повторяемости (ритм) - Множество - Неравномерность Поскольку первое из этих свойств не требует специальных пояснений, а второе будет рассмотрено подробно позже, остановимся на неявном свойстве биологического времени множественности. Живые системы существуют одновременно и как индивидуальные особи и как единицы составляющие стаю, улей, род, вид и т.п. И если для каждой особи существует физическое время (управление движения), каталитическое время (необходимое для описания ферментативных реакций), время клеточного деления, время индивидуального развития, то для объединения индивидов той или иной формы уже существует время генерации и эволюционное время. Организм должен отмерять время согласно достаточно сложной системе отчетов, т.к. разные процессы в организме текут в разных масштабах времени. Скорость течения биологических процессов позволяет выделить пять классов. молекулярные, протекающие от миллиона долей секунды до 1 сек. Физиологические, протекающие от сотых долей секунды до часа. Онтогенетические, охватывающие часть жизненного цикла и длящиеся месяцы и годы. Исторические, охватывающие жизнь нескольких поколений, но не влекущие за собой изменение форм жизни. Эволюционные, протекающие миллионы лет, при которых происходит не только смена поколений, но и смена форм жизни. Биологический объект, рассматриваемый как обособленная система, кроме набора процессов, протекающих с разной скоростью, обладает ещё каким-то индивидуальным временем жизни T, которая составлена из последовательных онтогенетических процессов - фаз развития данного объекта. Рассматривая каждую такую фазу, как элемент t, исследователи разделяют состав (выделенные элементы) и строение (последовательность выделенных элементов) t. В природе наблюдаются явления хронополиморфизма - существование качественно тойждейственных объектов, обладающих разными по составу и строению t T и хроноизоморфизма - существование разных объектов, обладающий одинаковыми по составу и строению t T. Что касается свойства неравномерности t, оно течёт по-разному в одном и том же организме в зависимости от возраста и условий внутренней среды. Рассмотрим ритмичность t связанную с особенностями течения процессов внешней среды. Невидимые ритмы содержатся в большинстве явлений природы, в том числе в процессах в живых организмах. Ритмический характер жизни на Земле именно потому и не замечается, что является совершенно обыденным. Каждые сутки земля поворачивается вокруг свое оси, вызывая ритмическую смену дня и ночи, ритмически меняются времена года, электромагнитные поля, давление воздуха и многое другое. Функции живых организмов, приспосабливаясь к жизни на ритмической планете в процессе эволюции, в свою очередь стали протекать ритмически. Люди и животные, рыбы и моллюски соблюдают суточный - циркадный ритм смены сна и бодрствования, смены активности и отдыха. Большое число показателей жизнедеятельности организма человека - t тела, кровяное давление, частота пульса и дыхания, уровень сахара в крови, различных аминокислот, белков, элементов крови меняются циркадно. Циркадные ритмы являются очень важными, но не единственными периодическими явлениями. Ритмов с различными периодами очень много, они существуют параллельно, как бы встроены друг в друга. Ритмическая активность обнаружена уже в единичной клетке, причем оказалось, что предельно сложно нарушить ход клеточных часов, не убив при этом клетку. Деятельность этих часов основана на том, что в клетке происходят постоянные динамические изменения, связанные с процессами обмена и получения энергии. Одни содержащиеся в клетке вещества постоянно распадаются, а другие синтезируются, в результате чего существуют незатухающие колебания их концентрации. Сложные биохимические процессы, лежащие в основе структуры и функции клетки и организма в целом происходят не одновременно и их скорости не постоянны. Все эти процессы согласованы между собой во времени таким образом, что возникает некий ритм их чередования повышения и понижения интенсивности каждого из них. Дни и сутки Мера времени - сутки - определяются вращением земного шара около данного из своих меридианов, так называющиеся земной осью. Считается, что сутки равны 24 часам. Существуют звездные и солнечные сутки. Звездные сутки - это промежуток времени между самым высоким положением на небе какой-нибудь звезды в две соседние ночи. Он постоянен и равен 23 часам 56 минутам и 4,09 сек. Солнечные сутки - это промежуток времени между двумя истинными (солнечными) полднями - мгновением, когда солнце достигает высшей точки своей суточной дуги. Самые короткие сутки бывают в сентябре, а самые длинные в декабре. В данное время астрономы используют в качестве эталона так называемые средние солнечные сутки. Фаза биоритма При определении функции заданной на каком-то отрезке важно знать не значения принимаемые функцией в отдельных точках, а некие интегральные характеристики, позволяющие судить о поведении функции на отрезке в целом. Одной из таких характеристик и является среднее значение или мезор. Среднепериодическая величина (среднее значение, принимаемое функцией за период) - важный параметр биологического ритма, позволяющий дать интегральную оценку биологического процесса за полный цикл его колебаний, т.к. принимаемых функцией, может оказаться недостаточно, в особенности, если учесть способность биологических ритмов изменятся под влиянием внешних воздействий. В биологическом ритме выделяют две основные фазы: активную и пассивную. Положение и длина активной фазы в биоритма определяются тем интервалом его времени, на протяжении которого длинна функции выше величины мезора, и, наоборот, пассивная фаза определяется тем отрезком времени, когда значения функции ниже величины мезора. Соотношения длин активной и пассивной фаз в разных биоритмах неодинаковы, но продолжительность активной фазы наряду с амплитудой ритма существенна для величины функции. Активные фазы разных биоритмов могут располагаться (если, например, речь идет о существенных биоритмах) как в одно, так и в разное время. В некой живой системе ритмы биологических процессов в силу причинно-следственных связей протекают не одновременно, поэтому и активные фазы ритмов этих процессов наблюдается в разное время. Иными словами между ритмами будет сдвиг фазы. Величина такого сдвига обычно варьирует, но в определенных пределах. Она является одним из основных параметров временной организации биологических систем, под которой понимается вся, понимается совокупность биологических ритмов живой системы, согласованных между собой по фазе, частоте и длине периода и определенным образом соотнесенных с периодическими колебаниями параметров внешней среды. Лекция 3-4 Экологические и биологические основы биоритмии. Классификация биоритмов. Живые существа не могут не реагировать на те или иные изменения в окружающей среде. В простейшем случае животное или растение лишь реагирует на поступление из внешней среды и постоянно повторяющиеся сигналы. Если не будет сигналов, не появится и реакция. Это так называемые экзогенные (внешние) ритмы, для осуществления которых не требуется особого внутреннего механизма. К числу внешних ритмов в известной степени принадлежат, например, “птичьи часы”. Птицы утром начинают петь в определенном порядке, и заканчивают в обратном порядке. Если небо утром внезапно затянется тучами, то пение в той же самой последовательности раздастся дважды. Таким образом, можно сделать вывод что утрении “птичьи часы” зависят от освещенности. На другом конце шкалы находятся эндогенные (внутрении) ритмы, то есть такие ритмы, периодичность которых не зависит от внешних сигналов. К числу процессов проявляющих внутренние ритмы, среди прочих относятся биение сердца, периодические колебания электрического потенциала коры больших полушарий и т.д. Повторяемость этих явлениях устанавливают только внутренние механизмы. Кроме того, у всех исследуемых животных и растений может наблюдаться сочетание внутреннего и внешнего ритмов, возникающих под воздействием периодически повторяющихся внешних сигналов и не исчезающие после прекращения их действия. Такой ритм способен подстроится к внешним условиям. Для ориентации в пространстве и по временам года, безусловно, желательно, чтобы животное не только различало выделенные моменты времени (рассвет или заход солнца), но и ощущало ход времени. Во многих случаях важно, чтобы животное или растение заранее узнавало об изменении окружающих условий. Например, если выбравшаяся из песка диатомовая водоросль или выбравшиеся из укрытия краб не почувствует приближение прилива, то они могут, погибнут в окружающей среде. Эти циклы всегда следуют циклическим изменениям какого-либо внешнего фактора, но сохраняются после прекращения его изменения, и в то же время их период довольно устойчив к внешним воздействиям (повышению или понижению температуры, ядам и т.д.). ТАБЛИЦА 1 Класс ритмов название ритма Период специальных Высокой частоты названий пока нет от 0.001 10141015Гц до 0.01мсек СВЧ Ритмы ЭЭГ(альфа,бета от 30 мс до 2 и т.д Секундные волны Минутные волны с от 1 с до 1 мин до 30 мин более 30 Средней частоты Ультрадианные Частота мин, менее 20ч 20-28ч ЭЭг 1-0,02 Гц ЭЭГ, ЭКГ 1 цикл в 130мин более 1 Метаболические процессы: колеб. главн. 1циклав Цикл сон-бодрствование ритмич. Изменение to артериальное давление Инфрадианные свыше 28 ч Циркадианные около 20 сут. 1цикл в 7 сут. Циркавигинтанные около 20 сут. Циркатригинтанные около 1 мес. Цирканизальные около 1 года Многолетние от 1,5 до неск. лет десятки и Сверхмедленные ЭЭГ, дыхание цикла в 20ч крови,мочи сутки Низкой частоты Осцилляции на молекулярном уровне 0,5-30 Гц около Циркадные Функции которыми данные ритмы соответствуют Мегаритмы много десятков лет 1 цикл в 30ч - 5 сут 1 цикл в 3 нед Эндокренные и метаболические процессы 1 цикл в 28-32 сут. 1 цикл в Медленные метаболические и эндокренные один год процессы 1 цикл в один год 1 цикл в Ритмы в мультииндивидуальных системах, десятки лет эпидемии Лекция 5-6 О физиологических механизмах биологических ритмов. В последние годы исследователи вплотную подошли к установлению местонахождения и механизмов действия центральных часов у млекопитающих. Разумеется, работать с крупными животными гораздо труднее, чем с насекомыми, поскольку в организме позвоночных одновременно протекает очень много ритмичных процессов, между которыми к тому же существуют сложные взаимосвязи. Весьма трудно, а зачастую и просто невозможно установить "субординацию" между отдельными ритмическими процессами, точно выяснить, какие циклы связаны с биологическими часами, а какие лишь отражают какой-то другой ритмический процесс. Положение облегчается тем, что центральная система регуляции млекопитающих изучается давно и основательно, и все же в механизме согласования часов, "протекающих" в отдельных органах и тканях, еще остаётся много не ясного. У основания головного мозга расположен гипофиз. Это железа внутренней секреции выполняет роль своего рода гормонального "дирижёра". Она вырабатывает такие вещества, которые, попадая в кровоток, поступают в находящиеся в различных точках тела другие железы внутренней секреции, и регулирует их деятельность. Среди выделяемых гипофизом веществ один оказывает преимущественно влияние на рост тела, другие стимулируют созревания половых клеток в яичниках или семенниках. Деятельностью гипофиза управляет гипоталамус (отдел промежуточного мозга), соединенный с ним стволом, по которому в гипофиз поступает вещества стимулирующие или угнетающие его секреции. Здесь осуществляется нервная и гормональная регуляция. Концентрации веществ вырабатываемых гипофизом, уровни многих гормонов подвержены 24-часовым колебаниям. Но источник цикличности находиться не в самом гипофизе, так как при нарушении его связи гипоталамусом ритмичность нарушается. "Напротив" гипофиза (в верхней части промежуточного мозга) находиться небольшой орган эпифиз, или шишковидная железа. Назначение ее долгое время оставалось загадочным и лишь совсем недавно удалось установит ту роль, которую эпифиз играет в гормональной регуляции. Одним из источником многих загадок, окутывавших этот орган, было предположение о возможности существования на голове у многих ящериц так называемого третьего глаза. Ученым удалось доказать, что и у ныне существующих земноводных на голове имеются чувствительные клетки, реагирующие на свет. Отсюда был сделан вывод, что светочувствительные клетки на голове у воробья лишенного возможности видеть, и есть тот самый орган, который обеспечивает непосредственное восприятие света мозгом. Но, поскольку и после удаления этого органа у воробья сохранялась способность приспосабливаться к циклу свет-темнота, эту гипотезу отвергли. Проведенные эксперименты доказали, что информация из сетчатки поступает в шишковидную железу двумя путями. Один из них - окольный зрительный путь , по которому сигналы симпатической нервной системы через шейные узлы доходят до органа. Этот путь с помощью одного фермента регулирует производство эпифизом гормона мелатонина. На свету синтез и выделение мелатонина подавляется, а в темноте усиливается (по крайней мере, у крыс). Мелатонин, действующий у низших позвоночных на пигментные клетки, у птиц и млекопитающих тормозит развитие половых железу и секрецию ими гормонов. Ритм выработки мелатонина во многом близок к внешним ритмам. Но если животное, ослепленное или долгое время, содержавшееся в постоянной темноте, подвергнуть непрерывному воздействию яркого света, то концентрация мелатонина понизится. Действие гормона проявляется в торможении деятельности гипофиза. Весьма вероятно, что годичные колебания размеров половых желез и выработки половых клеток объясняются колебаниями в секреции мелатонина. Зимой, когда дни короче, а ночи длиннее, эпифиз выделяют много гормона, и половые железы спадают, но по мере приближения весны продолжительность светлой части суток возрастает, производство мелатонина идет на убыль и яичники и семенники увеличиваются. Среди ферментов эпифиза имеются и такие, выработка которых, не прекращаясь после того, как животное ослеплено или помещено в постоянную- темноту, обнаруживает циркадную периодичность. Поиск путей участвующих в регуляции, привел к парному ядру, расположенному над перекрестом зрительных нервов и называемому nucleus suprachiasmaticus. Через это ядро проходит второй путь, ведущим от сетчатки глаза к эпифизу. К числу остальных частей этого пути, по-видимому, принадлежит и шейный узел симпатической нервной системы. Интересно, что с удалением ядра прекращается не только ритм активности эпифиза, но и (по крайней мере у крыс) ряд других функций в организме, в том числе цикл сон бодрствование, деятельность питьевою центра, двигательная активность, суточные колебания температуры головного мозга. Если ядро функционирует нормально, а животное по каким-то причинам (из-за слепоты или постоянной темноты) не может ощущать смену света и темноты, то все процессы протекают с циркадным ритмом. Создается впечатление, что у млекопитающих именно в ядре находятся центральные часы, которые, воздействуя на гипоталамус и (или) эпифиз, регулируют 24-часовые циклы нервной и гормональной систем. Но чтобы окончательно устранить все сомнения и распространить полученные выводы на другие виды животных, потребуется еще немало новых наблюдений. Лекция 7-8 Зависимость между биоритмами и работоспособностью Так ли важно, работая в сменном режиме, обращать внимание на биологические часы? Оказывается, что да. Взять хотя бы то, что 45% людей вообще плохо приспосабливаются к изменению суточных графиков деятельности. Сегодня когда почти весь процесс производства выполняется компьютерами, у людей из-за недостаточной эмоциональной и информационной нагрузки достаточно быстро, а главное незаметно развивается состояние монотонности: снижается бдительность, готовность к действиям, нарастают апатия, сонливость. Нередки случаи, когда оператор “отключается” от работы на 30-50 сек., не осознавая этого. В результате случаются несчастные случаи и т.д. Все эти негативные явления приобретают наибольшую выраженность в ночное время или часы естественного снижения физиологических функций. Специалисты установили, что особо тяжелую форму монотония приобретает в ночную смену, когда нет ремонтных работ, испытаний оборудования, других внешних событий и впечатлений. Ночная смена часто плохо переносится именно тогда, когда на заводе остается лишь несколько человек у пульта управления. Одна из главных причин аварий на железных дорогах – сон машинистов. Причем в пути засыпают не только новички, но асы, которые сидят на правом “крыле” (место старшего). Один из самых знаменитых ученых в этой области, Рассел К. Андерсен, науки проводил исследования по поводу как связаны биоритмы с несчастными случаями. Он исследовал более чем 300 несчастных случаев в четырех различных категориях: на металлообрабатывающих, химических, текстильных и трикотажных заводах. В конце концов, он получил потрясающие итоги, что более чем 70% несчастных случаев произошли в критические дни жертв. Например, один из операторов мощного пресса, со стажем в 20 лет, в день его эмоционального критического и интеллектуального цикла, необъяснимым образом проник через защиту пресса и после этого включил его. В результате он лишился 4-ех пальцев. После этого исследования он произвел еще несколько в результате которых сделал три основных вывода о путях, в которых влияние биоритмов проявляются в промышленных несчастных случаях: во-первых, индивидуал будет показывать значительные изменения в течение критических дней; во-вторых, когда несчастный случай произойдет, и индивидуал не будет знать, что это был его критический день, он не в состоянии объяснить, почему произошел несчастный случай; и в-третьих, физическое состояние, мыслительные способности и эмоциональный тонус индивидуала полностью отражают критические дни относительно очевидным образом. Андерсен был не одинок в своих исследованиях. Одновременно с ним проводил свои собственные исследования не менее известный ученый Дуглас Е. Нейл. Их так же объединяло то, что и тот и другой производили исследования относительно критических дней в физические, интеллектуальные и эмоциональные циклы. Дуглас Е. Нейл, проанализировав 66 несчастных случаев, обнаружил, что он мог бы смело отказаться от гипотезы, что несчастные случаи происходят случайно и с однородным распределением. Глядя только на физический ритм, он обнаружил, что число несчастных случаев, имевших место в течение негативной фазы в 2 раза больше несчастных случаев происходивших в момент позитивной фазы. Лекция 9-10. Устойчивость и чувствительность биологических процессов к внешним космофизическим факторам Использование биологического эталона времени позволяет разграничить разные по происхождению биоритмы: генетически закрепленные, гомеостатические и вторичные, вызванные. Гомеостатические ритмы как результат ненаследуемых адаптационных процессов, могут повышать чувствительность к одним внешним факторам или снижать ее к другим, например, путем противофазных к ритмам входящих ионов кальция ритмов их связывания и высвобождения из разных внутриклеточных структур клетки. Биосистемы эволюционно настроены на многочастотные резонансные сигналы с инвариантным соотношением частот независимо от их абсолютных значений. Многочастотные биологические коды объясняют высокую помехоустойчивость живых систем к внешним воздействиям наряду с чрезвычайной их чувствительностью к привычным многочастотным сигналам космофизической или биологической природы. Фазы ритмов внутренней энергопродукции в биосистемах параметрически определяют не только величину, но и знак реакций биосистем на внешние воздействия. Учет знергетической параметризации, биологического эталона времени, разных видов биоритмов, многочастотности, памяти и сигнатурных реакций биосистем позволяет объяснить противоречия неоднозначности и непостоянности корреляций биологических процессов с внешними космофизическими факторами. Для понимания механизмов космобиосферных связей и временной организации биосистем недостаточно установления лишь самих фактов корреляции. Необходимо объяснить, почему флуктуации в биологических системах в разное время наблюдений могут не коррелировать или коррелировать, но с разным знаком с соответствующим внешним ритмом. Почему с одними внешними ритмами корреляция есть, а с другими той же природы и амплитуды нет? Почему ответы биосистем в одних условиях отсутствуют даже на высокоамплитудные воздействия, а в других носят устойчивый характер или релаксационный? В чем состоит специфика восприятия внешних сигналов космофизических и биологических источников? Как отличить первичные и вторичные, опосредованные колебания в биосистеме и в какой мере можно их разграничить по величинам латентных периодов ответных реакций? Наконец, почему в процессе эволюционного приспособления временной организации биосистем к временной организации внешней среды разные ритмы последней приобрели неодинаковое биологическое значение? Критерием конструктивности ответов на эти вопросы среди существующих объяснений могло бы быть создание на их основе практических методов хронобиологической диагностики, прогнозирования и управления состоянием биосистем на всех уровнях через параметры их временной организации. Биологическое время, если его выражать числом биологических актов или событий в единицу физического времени, может изменяться в зависимости от состояния биосистемы. Субъективное восприятие времени человеком или его психологическое время ускоряется при доминировании симпатического тонуса и замедляется при доминировании парасимпатического. В процессе онтогенеза растений, животных, человека число значимых биологических событий в единицу физического времени уменьшается. Изменение темпа биологического времени позволяет биосистемам ускользать от внешних механических одночастотных резонансов. Высокая помехоустойчивость биосистем к случайным внешним резонансным частотам объясняется иерархией их временной организации. Сопряженные процессы нижних и верхних иерархических уровней биосистемы активно демпфируют даже резонансные частоты на адресуемом уровне, поддерживая гомеостатическую интегральную целостность биосистемы. Однако в процессе эволюционного приспособления к временной организации внешней среды биосистемы "научились" и полезно использовать резонанс для повышения чувствительности к биологически значимым сигналам, которые, как можно доказать, имеют многочастотный характер, адекватный иерархической временной организации биосистем. Использование биологического эталона времени оказалось полезным при анализе межпульсовых интервалов человека и периодов колебаний агрегации митохондрий в живой клетке. Измерение первой производной, когда за единицу измерения принимали длительность предшествующего периода колебаний, позволяет существенно снизить индивидуальные отличия и исключить неконтролируемые факторы. Гистограммы приобретали большую воспроизводимость, более четкий и простой по спектру периодов вид в контроле соответственно у разных людей и клеток в состоянии относительного покоя. Еще большую определенность приобретают результаты изучения спектра частот в покое и при внешних ритмических воздействиях, если нормирование проводить по длительности периода более медленного ритма. Если принять за эталон биологического времени длительность периода дыхательного цикла, то неравноценность увеличения частоты пульса на вдохе и задержки дыхания на вдохе и уменьшения на выдохе в разных циклах дыхания не увеличивают "шум" при оценке спектра частот показателя соотношений частот сердечных сокращений и дыхания (ЧСС/ЧД) и соотношения симпатического и парасимпатического тонуса при диагностике состояния человека. Аналогичным образом по степени и характеру иерархического десинхроноза, то есть по отклонению от нормального диапазона соотношения периодов быстрых и медленных колебаний агрегации митохондрий в разных зонах тела нервной клетки, оказалось возможным диагностировать и прогнозировать реакции клетки на внешние воздействия. Методика этих исследований описана в [1]. Использование нормировки по эталонам биологического времени позволило выявить постоянно присутствующие в спектре частот пульса и ритмов агрегации митохондрий составляющие, отличительной чертой которых является не сами абсолютные значения частот, а их отношения между собой. Их дискретный характер при пропорциональном изменении абсолютных значений частот практически сохранялся в разное время года и не зависел от других внешних факторов. Можно предположить, что эта группа ритмов представляет генетически закрепленную иерархию временной организации соответственно клетки и организма человека. Фазовые, системные и иерархические десинхронозы в этих базовых эндогенных ритмах отражают длительные нарушения при патологиях. В "восточной" медицине выход за пределы нормального диапазона ЧСС/ЧД характеризуют как соответственно "горячие" и "холодные" болезни. Вторая группа ритмов отличается от первой (генетически обусловленной) явной, хотя и неоднозначной зависимостью от внешних факторов. В разное время года и даже суток, возникают и исчезают разные частотные составляющие. Эти ритмы выявляются без биологической нормировки, они имеют индивидуальные особенности не только по абсолютным значениям частот, но, в отличие от первой группы, и по составу. Десинхронозы, фиксируемые по этой группе частот, отражают не только длительные состояния патологии, но и быстропротекающие процессы, включая физиологические нагрузки. В последнем случае новые частотные составляющие исчезают достаточно быстро после прекращения воздействия: ортостатическая проба или слабая нагрузка на велоэргометре для частот пульса и адекватное умеренное раздражение нейрона механорецептора рака для спектра частот агрегации митохондрий. Тем не менее, их инерционность в появлении и исчезновении при длительных и патологических адаптациях, а также неоднозначность их параметров при тестовых нагрузках в разное время и у разных людей (клеток) позволяет предполагать их гомеостатический характер. Эти ритмы появляются в отличие от генетически обусловленных в онтогенезе не сразу и при существенно различаются в результате адаптации к разным условиям внешней среды. На уровне клетки индивидуальному различию спектров этих дополнительно появляющихся ритмов соответствует и индивидуальная особенность микроструктурных изменений агрегации ретикулюма, морфологических характеристик ядра и тела клетки. На уровне организма человека примером таких реакций может быть появление дополнительно к околосуточному ритму ультрадианных ритмов при некоторых патологиях, стрессовых и дезадаптационных состояниях. Третья группа ритмов имеет исключительно экзогенную природу. Среди ритмических компонентов этой группы проще всего выделить релаксационные колебания, пачечные ответы и устойчивые ритмы, которые однозначно коррелируют с наличием внешнего ритмического фактора той же частоты или длительности воздействия. Однако, к этой же группе следует отнести вторичные ритмы, вызванные как внешними ритмическими факторами, так и первичными биоритмами гомеостатической природы. Например, волевое изменение частоты дыхания вторично изменяет частоту пульса. Вызванные параметрически изменения частоты пейсмекерной активности нейрона кооперативно вызывают или изменяют целый набор других микроструктурных, пластических и энергетических ритмов. Во всех случаях вторичные ритмы можно выделить не только по латентному периоду реакций, но и по пропорциональным значениям частот. В наших исследованиях на примере вызванных колебаний частоты импульсной активности нейрона обнаружено появление колебаний возбудимости нейрона в 4-10 раз и в несколько десятков раз более медленных, чем ритмы внешнего раздражения [3]. При этом сохранялся в ответах клетки и ритм внешнего раздражения. Дискретные значения коэффициентов трансформации, как выяснилось, определялись соответствующими эндогенными энергетическими ритмами. Энергетическая параметрическая зависимость функциональных, структурных и биосинтетических процессов выражается не только в различии амплитуды ответов от фазы соответствующего ритма энергопродукции, но даже их знаков. Впервые на этот факт обращено внимание в работе [5]. В наших исследованиях показано, что только в фазах положительного энергетического дисбаланса возможно увеличение возбудимости клетки, стабильное увеличение синтеза и содержания белка, выработка на одиночной нервной клетке временной связи. В зависимости от фазы или иначе знака энергетического дисбаланса биосистемы ее адаптация к внешним ритмическим воздействиям происходит путем минимизации энергетических затрат и уменьшения чувствительности, либо наоборот путем повышения чувствительности и использования дополнительно появляющейся в данную фазу энергии на перестройку своей структуры. Гомеостатические ритмы высвобождения кальция из его внутриклеточных депо имеют широкий спектр периодов из-за специфики этой кинетики в разных микроструктурах клетки. Для сохранения гомеостатической устойчивости клетки и ее метаболизма достаточно сохранять достаточно стабильной концентрацию в цитозоле кальция. Для этого достаточно противофазных колебаний высвобождения и связывания кальция соответствующими микроструктурами ритмам входящих потоков кальция в ответ на внешние воздействия. Такие гомеостатические ритмы могут закрепляться на достаточно длительный срок определенной геометрией и составом микроструктур клеток. Однако в отличие от генетически закрепленных ритмов они, как и условные рефлексы в отличие от безусловных рефлексов и инстинктов, зависят от конкретных условий. Адаптация биосферы как целостной системы должна включать память на всех уровнях. Только в этом случае возможна преднастройка к наиболее вероятным внешним воздействиям во всем спектре внешних ритмов и сигнатурная регуляция, реальность которой на уровне биоценозов и биосферы подтверждается многими фактами. Можно спорить относительно правомочности использования термина "память" для клеточного, биоценотического и биосферного уровней, но нельзя отрицать общие принципы приспособительных механизмов биосистем любого уровня, саму возможность "опережающего отражения" по П.К. Анохину в реакциях и состояниях живых систем на всех уровнях. Уровневая специфика должна выражаться иерархией соответствующих процессов. Памятный след может фиксироваться в устойчивых изменениях спектра колебаний различных процессов и в соответствующей пространственной структуре биосистемы на всех ее уровнях. Смена типов дискретных распределений может быть не только следствием изменения в данный момент спектра космофизических флуктуаций, но и проявлением памяти биосистемы на всех ее уровнях как внутренней преднастройки к наиболее вероятным будущим состояниям внешней среды, при которых биосистема сохраняла бы устойчивость. Гармонии временной организации биосистем с внешней средой и другими биосистемами должны соответствовать многочастотные биологические коды, сочетающие чрезвычайную избирательную чувствительность с высокой помехоустойчивостью. Эффективность хронобиологической диагностики, прогнозирования состояния биосистем и многочастотного управления доказаны нами на примере новых способов многочастотной стимуляции или угнетения биосинтеза белка в клетке и биоуправляемой хронофизиотерапии различных болезней человека. Лекция 11-12 Функциональная концепция времени По справедливому мнению профессоров Ю.А. Романова и В. А. Голиченкова, пространственно - временная организация биологических систем является одним из их основополагающих свойств. Её изучение, в этой связи, представляет собой важнейшую задачу современной теоретической и интегративной биологии, ибо именно пространственно - временная организация дает возможность наиболее целостным образом изучать и представлять структуру и функцию биологических систем, слитых воедино. Однако известно, что, несмотря на проявляемый интерес к пространственно - временной организации биологических систем, на её фундаментальное значение, эта проблема не получила ещё должного отражения в исследованиях. Сказанное обусловлено, на наш взгляд, не столько субъективными, сколько объективными причинами. И прежде всего тем, что в науке до наших дней оперирует понятиями постулированных, придуманных человеком времен, неадекватно отражающих объективно - реальное, по нашей терминологии, функциональное время. Сказанное относится и к времени реляционной концепции, хотя оно совершенно справедливо связывается с материальным движением и взаимодействиями. С т очки зрения функциональной концепции времени, объективно-реальное, функциональное время (другого времени в природе нет) связано не с механическим движением как простым перемещением, а с движением как качественным изменением, движением как причиной становления, то есть возникновения и исчезновения материальных объектов как таковых в результате воплощения их материального содержания в другие, последующие объекты. Объективно - реальное, функциональное время образуется лишь в результате последовательной смены качественно новых состояний конкретных, конечных материальных объектов, процессов (каждый объект процесс). При этом каждый материальный процесс образует свое собственное время, в котором только и существует. Кстати следует заметить, что термин “собственное время” используется и в теории относительности, но применительно к механически движущимся телам. Чтобы внести ясность в то, чем различается “собственное время” функциональной концепции от “собственного времени” теории относительности, подчеркнем, что последнее измеряется так называемыми “хорошими часами”, связанными с механически движущимся телом, тогда как собственное время функциональной концепции можно было бы измерить лишь идеальными часами, способными точно повторять ритмы и длительности, образуемые последовательно сменяющимися состояниями самого тела, объекта. Таким образом, становится ясно, что объективно - реальное, функциональное время является не всеобщей формой бытия материи, а функцией конкретных, конечных материальных вещей, явлений и процессов, характеризующей продолжительность их бытия. Называем же объективно - реальное время функциональным в связи с тем, что само существование времени и все его свойства всецело зависят от качественных изменений, происходящих в образующих его объектах, процессах. То, что объективно - реальное, функциональное время образуется в результате последовательной смены состояний конкретного материального объекта, можно проиллюстрировать на примере формирования рефлекса на время моллюска: “Ход опыта в этом случае таков: моллюск получает каждые пять минут удары слабым током. После удара он скрывается в раковине ненадолго, а затем продолжает свое движение. После прекращения ударов моллюск ровно через каждые пять минут продолжает прятаться в раковине. Это говорит о наличии у него систем отсчета времени”. В этой связи заметим прежде всего, что этот пример ни в коей мере не говорит о наличии у моллюска систем отсчета астрономического времени, поскольку такого времени в природе не существует. Моллюск прячется в раковине через каждые пять минут не по причине наличия у него каких - то систем отсчета постулированного, несуществующего в природе времени, а в связи с тем, что каждые пять минут в его организме происходит последовательная смена определенного, строго одинакового количества состояний, в результате которой образуется собственное время моллюска, в котором он существует, живет. Моллюск реагирует не на прошедшие пять минут астрономического времени, а на строго определенное количество последовательно сменившихся в его организме качественно новых состояний за эти условные пять минут. Поскольку функциональное время образуется материальными объектами, процессами с момента их возникновения и до исчезновения как таковых, оно всегда настоящее. В этой связи убедительным примером всегдашнего существования материальных объектов только в своем собственном настоящем времени, на наш взгляд, следует считать человека. Известно, что в организме человека происходит огромное множество качественных изменений на всех уровнях его структурной организации, в результате которых последовательно происходят изменения в организме человека как единого целого. Именно комплекс этих изменений и образует собственное время данного человека. Тем не менее человек (любое живое существо) всегда, до конца своей жизни существует в своем собственном настоящем времени. Что принято считать прошлым человека - не прошлое время его существования (прошлое время, как и будущее время статуса реальности не имеют), а прошлые, исчезнувшие состояния его организма. Человек, пока он живет, существует в своем собственном настоящем времени независимо от происходящих в его организме изменений, независимо от испытываемых им переживаний. Для человека, как и для любых других материальных объектов, не существует суженного, мгновенного настоящего. Мгновенное настоящее существует только в голове человека и нигде больше. Функциональное время, хотя оно и имеет физический смысл, физическое значение, поскольку образуется реальными материальными системами, процессами, несубстанционально (не является ни веществом, ни физическим полем). По причине же своей несубстанциональности, функциональное время принципиально необратимо. Сказанное означает, что функциональное время не сможет повернуться вспять, если даже образующие его процессы станут протекать обратно. Например, если бы даже материальный процесс повернулся вспять, его последовательно сменяющиеся состояния образовывали бы свои собственные промежутки времени, которые были бы последующими в натуральном ряде чисел и их общее число увеличивалось бы, а не уменьшалось бы на единицу. Другой пример. Если бы все процессы в организме человека, прожившего 70 лет, повернулись вспять и он бы стал молодеть, с точки зрения наблюдателя, через год его возраст бы достиг 71 года, а не уменьшился бы до 69 лет. По сути дела речь идет о том, что в результате разработки функциональной концепции времени впервые в философии и науке выявлена природа объективно-реального времени. Это позволило, в свою очередь, обосновать, что в реальной действительности не процесс является функцией времени, как ошибочно принято считать в науке, а само время является функцией процесса. Из сказанного вытекает необходимость коренным образом поменять подходы к исследованию процессов во всех сферах науки и практики. Только таким образом можно выявить ранее неизвестные временные закономерности, так необходимые для решения как имеющихся, так и нарождающихся проблем в том числе и глобальных. Как справедливо заметил Н. Н. Трубников: “Эпоха поставила задачу овладеть временем. Современная научно-техническая революция с ее проблемами и открываемыми возможностями создает материальную основу для ее решения”6. Выдающийся ученый современности, лауреат Нобелевской премии И. Пригожин особо подчеркивает, что “главное сейчас в науке - переоткрытые понятия времени, выход его на первый план”7. В этой связи И. Пригожин усматривает свою основную задачу во введении переоткрытого понятия времени в уравнения динамики, на основе чего, по его мнению, можно будет начать новый этап научно-технической революции8. Лекция 13 Хронотип как одно из направлений аутэкологии человека Именно биологи первыми начали пользоваться новыми подходами к изучению пространственно-временной организации биологических систем, благодаря этому именно биологи первыми обнаружили и использовали на практике неизвестные ранее временные закономерности развития животных. Имеются в виду прежде всего работы тех биологов (Детлаф, Игнатьева и другие) которые хронометрируют исследуемые ими процессы не в астрономических единицах (сутки, часы, минуты, секунды), а в особых единицах длительности, отмеряемых при помощи тех или иных процессов самого изучаемого живого организма (то есть, в единицах собственного функционального времени!). Дело в том, что, как подчеркивает Т. А. Детлаф, широко используемые единицы астрономического времени дают очень ограниченную информацию, справедливую в каждом случае только для данного вида организмов и данных конкретных условий. Только изучение временных закономерностей развития животных, полученных с использованием метода относительной безмерной характеристики продолжительности развития впервые позволила ввести параметр времени в сравнительно-эмбриологические исследования и сделать само время объектом изучения. Так, на основании проведенных исследований Т. А. Детлаф пришла к выводу, что для измерения продолжительности любого периода зародышевого развития можно использовать в качестве меры времени продолжительность при той же температуре некоторого, принятого за единицу времени периода, то есть можно использовать так называемую относительную безразмерную характеристику продолжительности развития. Только благодаря использованию такого метода биологам удалось показать, что в зоне оптимальных температур продолжительность разных онтогенезов и разных периодов развития зародышей пойкилотермных животных с изменением температуры изменяется пропорционально. Пропорциональность же изменений продолжительности разных процессов и разных периодов развития при изменениях температуры в пределах оптимальных для каждого вида пойкилотермных организмов, как известно, имеет огромное значение. Имея в виду сказанное, Т.А. Детлаф пишет: “Не будет преувеличением, если мы скажем, что без этой способности пойкилотермные организмы вообще не могли бы существовать в меняющихся условиях внешней среды. Если бы разные компоненты комплекса процессов, из которых складывается любой этап развития, изменялись асинхронно, то это приводило бы к возникновению нарушений нормального развития, а на более поздних стадиях - к нарушению нормального функционирования организма. Не случайно, что одной из первых реакций зародыша на приближение к границам оптимальных температур является десинхронизация отдельных процессов развития. Вначале она обычно невелика и компенсируется за счет запаса регуляционных возможностей организма... но при больших отклонениях температуры выходит за границы регулируемых изменений, и это приводит к развитию уродов и гибели организма”. С точки зрения биологов использование понятия возраст зародыша имеет большое значение в работах, посвященных сравнительному изучению процессов детерминации, то есть приобретения клетками зародыша новых свойств, обеспечивающих хотя бы часть пути развития их к конечной цели - образованию того или иного органа или части его. Т.А. Детлаф в этой связи пишет: “Изучение этого процесса представляет одну из центральных задач экспериментальной эмбриологии и, шире, биологии развития. В большой серии работ, посвященных этой проблеме, было обнаружено, что детерминация презумптивного материала одноименных зачатков органов (плакод органов чувств, нервной пластинки и др.) у разных видов бесхвостых и хвостатых амфибий возникает на разных стадиях развития и по - разному выражена на одинаковых стадиях. При этом оказалось, что различия эти коррелируют с различиями в возрасте зародышей на одноименных стадиях развития... Корреляция уровня детерминации ставит вопрос о морфогенетической роли фактора времени”. Имея в виду новый способ, метод хронометрирования биологических процессов И.А. Хасанов пишет, что “при этом обнаруживается удивительное единообразие в развитии организмов, говорящее о существовании внутренних динамических законов развития, которые не могут быть выявлены при использовании общепринятых единиц, измерения времени”. В связи со сказанным небезынтересно заметить, что использование рядом биологов названного способа временного описания, до разработанной нами функциональной концепции времени, не укладывалось в рамки общепринятых представлений о времени. Поэтому даже сами биологи использующие, как им казалось, специфические (а на самом деле - единственно реальные) единицы длительности, склонны были рассматривать их не как единицы реального функционального биологического времени, а как некоторые искусственно введенные безразмерные характеристики развития изучаемого живого организма. Однако, исключительно важное значение указанных исследований биологов не только для их науки, но и для других сфер науки и практики этим нисколько не умаляется. Из сказанного выше однозначно следует, что биологи открыли новый метод изучения временных закономерностей развития животных, как известно используют его на практике, однако, по справедливому мнению Т.А. Детлаф: “... задача определения времени в единицах, доступных количественному учету и отражающих качественную специфику изучаемого явления, а также позволяющих выявить с их помощью временные закономерности, остается актуальной и трудно решаемой для многих наук сегодня”. В этой связи подчеркнем, что трудности, связанные с выявлением закономерностей как в развитии животных, так и при исследовании процессов в других сферах науки и практики, по нашему мнению, можно успешно преодолеть, зная природу объективно - реального, функционального времени, которое образуется исключительно в результате последовательных качественных изменений, происходящих в материальных, объектах, процессах. Таким образом, функциональная концепция времени нашла свое бесспорное подтверждение данными науки и практики. В этой связи надо полагать, что исследование проблемы функционального биологического времени откроет новые широкие возможности для изучения временных закономерностей и использования их на практике не только в биологии развития, но и во всех отраслях науки и практики. Лекция 14 Хронорезистентность. Десинхроноз Хронорезистентность. Соответственно суточным биоритмам организм в каждый последовательный промежуток времени представляет собой различную физиологическую и биохимическую сущность. Одним из следствий этого является неодинаковая реакция живой системы на действие одного и того же факт,ора, приходящееся на разные фазы ритма тех или иных функций. Иными словами, фармакологический или другой эффект по силе и направленности может быть совершенно различным при действии раздражителя во время подъема или спада физиологического процесса. Открытие феномена ритмических изменений сопротивляемости организма во времени -весомый вклад в динамическую теорию гомеостаза. Классическим примером хронорезистентности являются опыты с эндоксином кишечной палочки: при его введении мышам в 12ч или 16ч происходила максимальная гибель животных, достигающая 85%; но смертность уменьшилась до 13% при инъекции той же дозы эндоксина в 24ч. Этиловый спирт, введенный мышам в 13ч, приводил к гибели 60% животных, но их погибало всего 5-10%, если этанол применяли в 22ч. Аналогичная ситуация наблюдается и у человека: после приема алкоголя в 10ч его концентрация в крови была в 7 раз выше, чем после употребления той же дозы в 18ч. С этим ритмом поступления алкоголя в кровь согласуются колебания активности некоторых ферментов в печени, которые вечером разлагают алкоголь и переводят его в безвредные соединения на 25% быстрее, чем утром. Колебания устойчивости организма на протяжении суток обнаружены у крыс по отношению к морфину и промедолу с двумя пиками чувствительности в 10 и 24ч, причем обнаруженная хронореактивность коррелировала с ритмом содержания белка в сыворотке крови. Подобный хроноэффект выявили при действии на организм гербицидов, которые вызывали наибольшую смертность мышей при их введении в 21 и 03ч. От времени суток зависит канцерогенный (стимулирующий возникновение опухоли) эффект некоторых веществ. Так если мыши подвергались воздействию бензпирена или диметилбензантрацена в 22-24ч, то у животных возникало в 1,5-2 раза больше новообразований кожи, чем при применении этих канцерогенных веществ в 10-12ч. Рак молочных желез у мышей индуцировался намного чаще, когда канцероген применяли в 16ч, а саркомы появлялись у 80% хомячков при действии канцерогена в 12ч и только у 30% -в 04ч. Связано это с суточными волнами митотического синтеза ДНК, когда на пике синтеза резко возрастало связывание канцерогена с ДНК. Вместе с этим и противораковые химиопрепараты проявляют свое токсическое и лечебное действие по-разному в зависимости от времени суток. При введении оливомицетина или 5-фторирацила в 05-08ч погибало 50-60% мышей, но гибель снижалась в два раза, если 5-фторирацил применяли в 20ч и все животные оставались живыми при инъекции оливомицетина в 02ч. Подобные колебания устойчивость животных описаны по отношению к сарколизину, адриамицину, кортикостероидам, проппанололу и многим другим веществам. Динамической функцией является и чувствительность живых клеток к действию ионизирующей радиации, которая, например, у мышей велика утром и вечером, а днем и ночью животные становятся радиационно устойчивыми. К кислородному голоданию наибольшей резистентностью крысы обладают в 9-12ч с последующим падением и достижением минимума от 0 до 03ч. Десинхроноз. Изменение условий существования, сдвиги периодичности действия внешних факторов, возникновение неблагополучия в организме влекут за собой рассогласование во времени между внешними и биологическими ритмами, а также расстройство синхронности различных ритмов. Такая перестройка временной организации биологического объекта, возникновение асинхронности между природными и организменными циклами, появление рассогласования между биоритмами внутри циркадианной системы получила название десинхроноза. Десинхроноз возникает всегда, когда меняется привычная периодичность внешних факторов, а также при воздействии какого-либо патологического агента, и сущность его заключается в нарушении естественных фазовых взаимоотношений и циркадианных ритмов или во взаимном рассогласовании последних. И это позволяет рассматривать десинхроноз в качестве обязательного компонента общего адаптационного синдрома. В состоянии десинхроноза органы и функциональные системы организма действуют “каждый сам по себе, вразнобой, губя друг друга, вместо того, чтобы оказать помощь”. Разобщение суточных биоритмов с внешними датчиками времени, главным образом с циклом день-ночь, в первую очередь наблюдается при трансмеридиональных перелетах с быстрым пересечением нескольких часовых поясов. У людей, прибывших на новое место, появляется общий дискомфорт, нарушается сон, изменяются пульс, артериальное давление. Наблюдения показали, что при перелете со сдвигом времени на 8-9 часов укорачивается и уменьшается частота А-стадии сна с одновременным перераспределением ее максимума с первого и последнего часа на середину ночи, инвертируется ритм уровня гликогена. Как правило, адаптация ритмов различных функций организма к новому часовому поясу полностью реализуется через 4-15 суток, хотя, например, нормальные суточные колебания содержания стероидных гормонов в крови при перелете через 4-6 часовых поясов устанавливаются лишь спустя 2-3 месяца. Таким образом, у человека, совершившего перелет через несколько часовых поясов, ритмы жизненных функций вначале не согласуются с чередованием дня и ночи в пункте прилета, вследствие чего возникает внешний десинхроноз. По прибытии на новое место в результате неодинаковой скорости перестройке различных функций в процессе адаптации к местному времени развивается внутренний десинхроноз, проявляющийся довольно пестрой симптоматикой. Подобная перелету хроноситуация складывается при ночных и сменных работах, когда меняется ритм сон-бодрствование, а суточные ритмы других функций осуществляются по-прежнему распорядку. В этом случае так.же развивается внутренний десинхроноз, чреватый серьезными нарушениями здоровья. Изменения привычного режима покоя и бодрствования, а также соответствия внешним синхронизаторам биоритмов является лишь одной из возможных причин десинхроноза, который нередко служит пусковым механизмом для возникновения болезни. В качестве другого внешнего “хронопатологического” фактора следует выделить разнообразные по своей природе сверхнормативные, стрессовые воздействия на людей, с которыми они все чаще сталкиваются в своей производственной и вне деловой жизни. Одно из них -резкое понижение двигательной активности человека, с связывают учащения разного рода обменных и сердечно-сосудистых заболеваний. Вполне возможно, что в основе возникновения этих патологических процессов лежит не только гиподинамия как таковая, но и те явления десинхроноза, которые она вызывает. Это предположение не лишено оснований, так как малоподвижность очень быстро влечет за собой значительные изменения суточной биоритмики различных функций. Так, у людей, которые находились в положении лежа 8-11 суток, исчезало дневное повышение температуры тела или она снижалась днем и повышалась вечером. При более подробном анализе суточного ритма температуры тела при клиностатической гипонезии людей была обнаружена двухфазность изменений. В первые 6 суток гипокинезии среднедневные и среднесуточные значения температуры возрастали, превышая фоновые, а затем до 40-го дня падали ниже нормальных показателей при уменьшении амплитуды. Первую стадию изменения суточного ритма температуры при гипокинезии автор рассматривает как проявление фаза тревоги общего адаптационного синдрома. Вполне вероятно, что эти температурные сдвиги отражали и изменения в энергетическом обмене. На 30-й день гипокинезии людей происходило снижении коэффициента циркадности1) до 1,38; на 60-й день он падал до 1,09 и был равным единице через три месяца. При длительная малоподвижность обусловливает рассогласование таких ритмов, как пульс -температуры тела, температуры тела -натрий слюны, натрий слюны -пульс. В экспериментах с крысами, фиксация животных на спине в станках сопровождалась уменьшением в 1,5 раза мезор суточного ритма размножения эпителия роговицы, перемещением акрофазы, многократным увеличением амплитуду ритма. Следует отметить, что десинхронизирующим фактором является не только “гипокинетический отдых”, но и другая крайность -утомление. Также как и при гипокинезии, здесь наблюдается снижение температуры тела днем и повышение ее вечером, а при высокой степени утомления отсутствует нормализация суточной динамики температуры тела после однодневного отдыха. Среди внешних факторов неблагоприятно воздействующих на живые организмы, большое внимание привлекает гипоксия. Это связано не только с ее “стрессовостью”, но и с реальной возможностью жизни человека в условиях недостатка кислорода. Экспериментальные хронобиологические наблюдения в этом плане показали, что у крыс, пребывавших на высоте 3200 м. над уровнем моря, резко возрастала амплитуда суточных колебаний работы сердца и крупных сосудов, а с 15-20 дня пребывания в высокогорье происходили фазовые сдвиги этих ритмов. У человека же, находящегося в условиях умеренной гипоксии, наблюдались нарушения суточного ритма экскреции с мочой гистамина и 5-оксииндолуксусной кислоты. В связи с развитием космонавтики большое внимание уделяется изучению влияния изменений силы тяжести на циркадианные ритмы. Наблюдения показали, что в условиях невесомости кратковременного (6-10 сут.) космического полета циркадианные ритмы практически не изменяются. Следовательно, при такой длительности полета внутренний эндогенный механизм оказывается вполне достаточным для поддержания ритмов. По другим данным, у крыс на биоспутнике возникало запаздывание фазы ритма температуры тела, что отмечалось и у людей в кратковременном космическом полете. У обезьян же, летавших на биоспутнике серии “Космос”, уменьшалась стабильность фаз циркадианных ритмов и расширялась зона их блуждания. Достоверное сокращение свободнотекущего периода двигательной активности было обнаружено у жуков после 14-суточного полета на биоспутнике. Выше отмечалось, что нарушения биологической ритмики физиологических процессов организма, возникающие при изменениях привычного режима покоя и бодрствования, а также внешних синхронизаторов ритмов, приводя к десинхронозу, нередко могут являться пусковым механизмом для возникновения болезни. С другой стороны, первичное развитие патологических процессов всегда сопровождается внутренним десинхронозом, влечет за собой нарушение ритмов внутри самой пораженной системы, вне ее, а также сбои в работе регулирующих биоритмов механизма. Эти нарушения могут проявляться в виде разнообразных феноменов: смещение фазы ритма к необычным часам суток, вплоть до полной инверсии, уменьшения амплитуды или уплощения кривой вплоть до полного сглаживания суточных ритмов тем больше, чем тяжелее форма заболевания. В качестве примера можно сослаться на несколько заболеваний человека. У больных гипертонической болезнью наблюдается биоритмологические нарушения не только со стороны сердечно-сосудистой системы, что вполне естественно, но и извращается суточный ритм экскреции гормонов и неорганических компонентов. При ишемической болезни сердца происходит разлад обще информационных связей в организме, что отражает рассогласованность в ритмической работе различных систем. Для бронхиальной астмы характерно увеличение амплитуды суточных колебаний различных параметров, отражающих состояние бронхов, а также их патологическая синхронизация, что, в свою очередь, ухудшает течение болезни. У больных ревматизмом резко извращаются суточные ритм гормонов надпочечников и особенно -свертывание крови. Выраженные деформации суточных биоритмических кривых гормональной активности выявлены при заболеваниях гипофиза, диабета, ожирении. Значительные нарушения суточных ритмов гемодинамики, сахара крови, работы центральной нервной системы выявлены при язвенной болезни желудка. Дезорганизация суточных ритмов артериального давления, температуры тела, частоты дыханий, мышечной силы возникает у больных с диэнцефальным пароксизмами, шизофренией. Значительные отклонения суточных ритмов температуры тела, состояния периферической крови, экскреция солей и диуреза от” идеальной синусоиды” здоровых найдены при развитии опухолевого процесса. Лекция 15 Практическое использование управления биологическими ритмами в биологии Биологические ритмы - условие нормальной жизнедеятельности процессов во всех живых организмах. Без них не могла бы существовать жизнь. Ритмы физиологических функций в организме человека позволяют осуществлять сложные жизненные процессы. Отсутствие же нормального взаимодействия биологических ритмов приводит к различным функциональным расстройствам (например, десинхронозу), а иногда и к заболеваниям. В настоящее время в медицине возникло новое направление, новый подход к причинам заболеваний. Ряд ученых считают, что причина некоторых заболеваний нарушение периодичности в осуществлении жизненных процессов, например в работе сердца, легких, печени, почек, желудка и т. д. Исследованиями нарушений цикличности функций в организме человека занимался немецкий психолог К. Рихтер. На протяжении многих десятилетий, начиная с 1919 г., он собрал большой клинический материал более чем о тысяче пациентов, страдающих различными заболеваниями костного мозга, желудка, двенадцатиперстной кишки, брюшины, почек, потовых и слюнных желез, лимфатических узлов, суставов, кожи, мозга и глаз. К числу циклических процессов, нарушения которых приводят к заболеваниям, он отнес и такие заболевания, как мигрень, эпилепсия и пептическая язва. По мнению Рихтера, большинство заболеваний вначале не выглядят периодическими, а приобретают такой характер спустя многие месяцы и даже годы. В настоящее время важное внимание в медицине уделяется вопросам ранней диагностики заболеваний. В арсенале современной науки уже имеется достаточное количество новых методов для распознавания ранних стадий заболеваний, таких, например, как рак, сердечные заболевания, атеросклероз, заболевания печени и т. д. Для определения нарушений периодичности функционирования отдельных органов в организме человека на ранних стадиях заболеваний ученые использовали различные косвенные методы, например биохимические методы. Так, эксперимент, проведенный шведским медиком Э.Форсгреном, показал, что количества выделяемых в печени желчи и гликогена обратно пропорциональны. При содержании в печени большого количества желчи гликоген присутствует в небольшом количестве, и наоборот. Таким образом, функционирование печени имеет периодический характер: образование в ней желчи чередуется с образованием гликогена. Нарушение такого чередования веществ, вырабатываемых печенью, проявляется на ранних стадиях заболевания. Обнаружить появление рака печени на ранней стадии удалось шведскому медику Я. Мёллерстрёму. Он, также как и Э.Форсгрен, наблюдал нарушение в функционировании печени, однако подход в определении причин нарушений был несколько иной: Мёллерстрём определял периодические изменения в скорости оседания эритроцитов в крови, В случае рака печени скорость оседания эритроцитов увеличивалась в 150 раз в течение одних суток по сравнению с нормой. Наука накапливает все больше и больше фактов, свидетельствующих о важной роли биологических ритмов человека в оценке осуществления нормального функционирования организма. Требовалось провести систематизацию накопленного опыта и приблизить его к непосредственному практическому использованию. Эту большую и важную работу осуществил шведский ученый А. Соллбергер. К концу 1964 г. он собрал и классифицировал экспериментальный материал по нарушению биоритмов в организме человека. Собранный материал ученый опубликовал в справочнике, который может дать полезные сведения для биологов и медиков. Однако решение проблемы биологических ритмов человека касается не только обнаружения и устранения нарушений ритмов в организме, но и правильного, разумного использования этих ритмов во время хирургических операций, приеме медикаментозных средств, при электросне и многих других воздействиях на человека.Из хирургической практики, например, известно, что кровотечения гортани бывают намного чаще, если они совпадают со второй четвертью лунного месяца. Поэтому хирурги избегают в этот период делать операции на гортани. Важный момент для медиков - учет времени суток при введении лекарств в организм больного. Впервые этим вопросом занялся американский ученый К. Питтендрай. Он подбирал, теоретически обосновывая, периоды суток, наиболее благоприятные для приема того или иного лекарства. Время приема лекарств имеет важное значение. Одно и то же лекарство по-разному будет действовать на человека в разное время суток. Далеко не безразлично, например, днем или ночью принимать инсулин. Прием инсулина больными диабетом в ночное время даже при небольших дозах может привести к весьма нежелательным реакциям. В то же время днем восприимчивость к инсулину понижается, и он может быть принят в значительном количестве. Надо полагать, что в скором времени врачи будут выписывать лекарства с учетом времени их приема. При разработке мероприятий по профилактике заболеваний необходимо учитывать чувствительность нормальных клеток к действию вируса во время определенных фаз их циркадного ритма. Это будет иметь значение при противоинфекционных прививках, профилактическом приеме лекарств и при других мероприятиях, связанных с предупреждением заболеваний. О заболеваниях свидетельствует нарушение периодичности в функционировании не только органов и систем организма человека, но и отдельных клеток. Американский специалист по биоритмам Л. Хейфлик на основании исследований предложил гипотезу, согласно которой все живые организмы на Земле имеют «генетические часы». Они контролируют продолжительность существования живых клеток, в результате чего клетки организма делятся определенное количество раз. Клетки человеческого организма могут делиться примерно 50 раз. Клетки животных имеют свои цифры деления: у мыши - 14-28 раз, курицы- 15-35 раз, черепахи - 90-125 раз. Контролю не поддаются лишь клетки раковой опухоли, поэтому они способны беспредельно размножаться. Если бы ученым удалось своевременно распознать уход клеток из-под контроля «генетических часов», человечеству была бы представлена возможность надежного диагностирования раковой опухоли на ранних стадиях заболевания, и, быть может, открылись бы новые пути лечения рака. Каждая клетка в любом живом организме ориентирована во времени. Многоклеточный организм человека имеет сложную иерархическую систему «живых часов». Такая временная организация биологических систем жизненно необходима. Она позволяет не только согласовывать его жизнедеятельность во времени с внешней средой, но и создает условия для синхронизации всех процессов на внутриклеточном и на внешнеклеточном уровнях. Синхронизацию работы клеток и органов в живом организме можно получить навязыванием ему ритмов внешней среды, в частности, световых режимов, нарушение же ритмических воздействий внешней среды приводит к ухудшению жизнедеятельности живых организмов и даже к гибели. Американскому исследователю К. Питтендраю удалось показать, что непрерывное освещение мух-дрозофил, а также неестественные световые режимы (не кратные 24 час.) резко снижают продолжительность их жизни. Коллектив советских исследователей во главе с В. Б. Чернышевым повторил эксперимент К. Питтендрая, показав, что нормальный ритм дрозофил нарушается не только при непрерывном освещении, но и при непрерывной темноте. Циркадный ритм человека обладает устойчивостью. И хотя дневная деятельность человека может быть искусственно перестроена, все же долгое время сохраняется 24часовой цикл ряда функций его организма. В опытах, проведенных шведским биологом К. Хамнером на Шпицбергене, где летом длится непрерывный день, все часы и расписание работ живущих там людей были перестроены на 21-часовой «день» в одном случае и на 27-часовой - в другом. Вскоре все испытуемые привыкли к новому расписанию, но их жизненные отправления продолжались в прежнем ритме. При перелетах из одного часового пояса в другой человек болезненно переносит перестройку биологических часов на новое время. В этом случае нарушается ритм и согласованность физиологических функций и развивается десинхроноз, о котором мы ранее уже говорили. Сравнительно недавно сделано важное и интересное для биологии и медицины открытие: снижение температуры тела на 1-2°С способно продлить жизнь животных (и человека) на 20-25%. Изменение температуры тела приводит к перестройке физиологических ритмов организма. Об этом свидетельствует, например, тот факт, что при заболеваниях лихорадкой биологические часы организма человека начинают «спешить». Дальнейшее изучение и развитие проблемы регулирования температуры тела человека - часть большой и важной проблемы управления ритмами его организма. В настоящее время в медицине большое внимание уделяется вопросам, связанным с регуляцией ритмов организма человека внешними условиями. Еще в 20-е годы А. Л. Чижевский занимался изучением влияния солнечной активности на частоту заболеваний и физиологическое состояние человека. Он был первым, кто затронул важную для медицины проблему управления биологических ритмов человека факторами внешней среды. В последнее время этими вопросами занимается американский исследователь Ф. Браун, считающий внешние геофизические условия основными регуляторами ритмов организма. Наиболее удобный объект для исследований регуляции ритмов живых организмов насекомые. Изучением регуляции ритмов у насекомых занимаются советские исследователи В. П. Тыщенко и Н. И. Горышина. Используя реакцию насекомых на чередование светового и темпового периодов, ученые разрабатывают новые методы для борьбы с вредителями сельскохозяйственных культур. При этом учитывается особенность живых организмов по-разному воспринимать воздействие химических веществ и ядов в разное время суток. Искусственное чередование периодов света и темноты оказалось могучим средством, позволяющим получать массовое цветение и плодоношение растений, высокую плодовитость животных. В этом направлении большие работы проводятся у нас в стране (Б. А. Рубин, И. И. Гу-нар) и за рубежом (Д. Гастингс и Ф. Холберг и др.). Была сделана попытка изменить циркадный ритм растений путем воздействия химическими веществами - цианидом мышьяка, колхицином, уретаном и этиловым спиртом и т. д. Оказалось, что на фазу и длительность периода деления клеток водоросли влияет тяжелая вода. Таким образом, для управления циркадным ритмом растений и животных в практике сельского хозяйства наряду со световым может быть использован и химический способ. Иной механизм воздействия на ритмы растений имеет ультрафиолетовое излучение. Оно может за несколько минут значительно сдвинуть фазу ритма растений (такой же сдвиг фазы получается при 30-минутном воздействии светом). Эксперименты, проведенные американским исследователем Ч. Эрет, показали, что воздействие ультра- фиолетового света на растения связано с нуклеиновыми кислотами (ДНК - РНК). Исследования Ч. Эрета подтвердили гипотезу советского физиолога растений Д. А. Сабинина, выдвинутую им еще в конце 40-х годов. Согласно этой гипотезе, в основе механизма биологических часов лежит работа системы нуклеиновых кислот. Воздействуя ультрафиолетовым излучением на нуклеиновые кислоты, можно управлять ритмами растений, их созреванием и плодоношением. Вопросы для самоконтроля: 1. Назовите основные свойства биологического времени 2. Сформулируйте определение биоритма. 3. Приведите современную классификацию биоритмов. 4. Назовите основные параметры ритма. 5. Как изменяются параметры суточного ритма в онтогенезе? 6. Сформулируйте определение здоровья с хронобиологических позиций. 7. Современные представления о механизмах регуляции циркадианной системы. 8. Экологические и биологические основы биоритмии. 9. Каковы физиологических механизмах биологических ритмов 10. Расскажите о зависимости между биоритмами и работоспособностью 11. Сформулируйте функциональную концепцию времени 12. Что такое хронотип человека? 13. Раскройте понятие хронорезистентность. От каких факторов зависит хронорезистентность. 14. Что такое десинхроноз, его роль в развитии патологий? 15. Как на практике можно управлять биологическими ритмами?
