ХРОНОБИОЛОГИЯ БИОРИТМОЛОГИЯ
БИОЛОГИЧЕСКИЕ РИТМЫ w периодически повторяющиеся колебания характера, изменения и интенсивности процессов и физиологических реакций, в основе которых лежат изменения метаболизма биологических систем, обусловленные влиянием внешних и внутренних факторов, свойственные живой материи на всех уровнях ее организации — от молекулярных и субклеточных до биосферы. w они не являются строго периодическими колебаниями: в определенных пределах меняется их период, амплитуда, форма, уровень.
Хронобиология Сформировалась в 60 -е гг. , Раздел хрономедицина Биоритмология — одно из направлений хронобиологии изучает временнỳю организацию биологических систем, роль фактора времени в осуществлении биологических явлений и в поведении живых систем, природу, условия возникновения и значение биологических ритмов для организмов
Хрономедицина • Возникла на стыке биоритмологии и клинической медицины • изучает взаимосвязи биологических ритмов с течением различных заболеваний, разрабатывает рациональные схемы лечения и профилактики болезней с их учетом и исследует другие медицинские аспекты биологических ритмов и их нарушений.
Формирование биоритмов l Адаптация организмов к окружающей среде в процессе эволюционного развития шла в направлении как совершенствования их структурной организации, так и согласования во времени и пространстве деятельности различных функциональных систем. l Стабильность периодичности изменения освещенности, температуры, влажности, геомагнитного поля и других параметров окружающей среды, обусловленных движением Земли и Луны вокруг Солнца, позволила живым системам в процессе эволюции выработать стабильные и устойчивые к внешним воздействиям временные программы, проявлением которых служат биологические ритмы.
Синхронизаторы Внешние факторы u изменение освещенности (фотопериодизм) u температуры (термопериодизм), u магнитного поля u интенсивности космических излучений приливы и отливы u сезонные и солнечно-лунные влияния. u Внутренние факторы u это нейрогуморальные процессы, протекающие в определенном, наследственно закрепленном темпе и ритме. u
n Для большинства биологических ритмов характерна эндогенность генерирования, малая изменчивость установившейся длительности циклов на протяжении онтогенеза n Ритмы, обозначаемые как экологические, или адаптивные (суточные, приливные, лунные и годовые), закреплены в генетической структуре n В искусственных условиях (при непрерывном освещении или темноте) периоды таких ритмов отклоняются от периодов соответствующих ритмов окружающей среды, проявляя собственный период n Для обозначения ритмов, которые синхронны с ритмами среды, употребляют термины циркадианный (околосуточный), циркатидальный (околоприливный), циркалунарный (окололунный), циркааннуальный (окологодовой).
Физиологические ритмы u u u циклические колебания в различных системах организма. Основные характеристики физиологических ритмов: период или частота - количество колебаний в единицу времени определяется интервалом времени между соседними максимумами или минимумами показателя состояния организма, амплитуда — величина максимального отклонения показателя в ту или другую сторону от среднего значения или уровня колебаний, фаза — характеризует состояние колебательного процесса в момент времени; измеряется в долях периода, а в случае синусоидальных колебаний — в угловых и дуговых единицах - положительная или отрицательная, акрофаза — время максимального отклонения, батифаза - время минимального отклонения, уровень, форма - условно выделяют следующие виды физиологических колебаний: импульсные, синусоидальные, релаксационные, смешанные.
КЛАССИФИКАЦИЯ ФИЗИОЛОГИЧЕСКИХ РИТМОВ (по Ф. Халбергу - F. Halberg) Ритм Период Высокой частоты менее получаса Средней частоты ультрадианный циркадианный, «циркадный» от получаса до 20 час от 20 до 28 час инфрадианный Низкой частоты от 28 до 6 сут циркасептанный циркавигинтанный около 7 суток около 20 суток циркатригинтанный циркааннуальный около 30 суток около года
Частота биологических ритмов от нескольких долей секунды до нескольких лет. Биологические ритмы, вызываемые внутренними факторами изменения активности, с периодом от 20 до 28 час. называются околосуточными, или циркадианными, ритмами. l Периодическим колебаниям в организме человека подвергается большинство физиологических процессов. l подробно изучены суточные колебания температуры тела. l В регуляции суточной периодики функций принимает участие гипоталамус. l
Частота биологических ритмов Выделяют ритмы высокой, средней и низкой частоты. Высокочастотные ритмы включают биологические ритмы с периодом от долей секунды до 30 мин. К ним относят ритмы электрической активности головного мозга, мышц, сердца, ритм дыхательных движений. Регистрация высокочастотных ритмов органов и тканей — электроэнцефалография, электрокардиография, электромиография и др. — широко используется при диагностике различных заболеваний и оценке функционального состояния соответствующих органов и систем. Биологические ритмы средней частоты с периодом от 30 мин до 6 сут. В этой группе различают: ультрадианные ритмы (период от 30 мин до 20 ч), среди которых наиболее известны ритмы с периодом около 90 мин — ритмы чередования активности и покоя у новорожденных, чередования фаз медленного и быстрого сна, общей двигательной активности, экскреторной функции почек; циркадианные (период 20— 28 ч), к которым относят изменения температуры тела, частоты сердечных сокращений, величины АД, степени работоспособности на протяжении суток.
Частота биологических ритмов n n n Группу биологических ритмов низкой частоты составляют околонедельные, околомесячные, окологодовые и многолетние ритмы. Околонедельный - ритм выделения с мочой ряда физиологически активных соединений, например 17 кетостероидов и эстрона, Околомесячный — овариально-менструальный цикл Окологодовые и многолетние ритмы выявляют при анализе заболеваемости, рождаемости, продолжительности сна, показателей иммунитета, роста и развития детей и т. д. Выраженность годовых (сезонных) ритмов нарастает по мере увеличения географической широты и отчетливо проявляется у организмов, населяющих умеренные и полярные зоны, где сезонные различия наиболее отчетливы.
Физиологические ритмы классифицируют также по их соотношению с периодическими изменениями среды обитания Если период ритмов не совпадает с периодическими изменениями геофизических факторов, их обозначают как функциональные (периодические изменения интенсивности транспирации и обмена у растений, ритм сердечных сокращений, дыхания, циклы двигательной активности — ходьба). Если период ритмов совпадает с периодами геофизических циклов, а также близок или кратен им, их называют адаптивными или экологическими. суточные, приливные, лунные и сезонные ритмы. В биологии рассматриваются адаптивные ритмы с позиций общей адаптации организмов к среде обитания, а в физиологии — с точки зрения выявления внутренних механизмов такой адаптации и изучения динамики функционального состояния организмов на протяжении длительного периода времени.
По степени зависимости от внешних периодических процессов выделяют экзогенные, приобретенные (привычные) и эндогенные ритмы • Экзогенные ритмы обусловлены изменением факторов окружающей среды и могут исчезать при некоторых условиях (анабиоз при понижении внешней температуры, листопад и другие фенологические процессы). • Приобретенные ритмы возникают в процессе индивидуального развития по типу условного рефлекса и сохраняются в течение определенного времени в постоянных условиях (обусловленные стандартным распорядком двигательной активности, изменения мышечной работоспособности в определенные часы суток). • Эндогенные ритмы являются врожденными, сохраняются в постоянных условиях среды и передаются по наследству (большинство функциональных и циркадианных ритмов).
Физиологические ритмы Классификации физиологических ритмов по отдельным органам и системам (ритмов, регистрируемых на ЭЭГ, сердечных сокращений). Физиологические ритмы являются одной из основных форм проявления жизнедеятельности, наблюдаются у всех живых организмов и на всех уровнях организации живой материи — от субклеточных структур до целостного организма. — электрокардиограмма; — сфигмограмма сонной артерии; — сейсмокардиограмма; — пневмограмма; — электроэнцефалограмма; — суточная периодика частоты дыхания — суточная периодика экскреции калия с мочой
Физиологические ритмы 4 Наиболее близки к периодическим колебаниям физиологические ритмы, возникающие при усвоении организмом ритмичных внешних сигналов (световых мельканий), различные адаптивные ритмы 4 Физиологические ритмы характеризуются широким спектром частот; их период варьирует от десятитысячных долей секунды до нескольких лет 4 Во многих случаях один и тот же показатель одновременно участвует в нескольких видах колебательных изменений (пульсовые, дыхательные и суточные изменения артериального давления, волны различной частоты на ЭЭГ) 4 Ритмы, характерные для одной системы, могут передаваться другой (изменения частоты сердечных сокращений в ритме дыхания) 4 Физиологические ритмы могут быть замаскированы апериодическими колебаниями исследуемого показателя (шумами) или ритмическими колебаниями, их форма часто бывает сложной другими 4 разработаны специальные методы анализа, позволяющие выявлять и изучать скрытую периодичность физиологических (гармонический анализ, автокорреляционный анализ, суммирование и др. ). процессов скользящее
Физиологические ритмы Большинство физиологические ритмов связано с чередованием различных функциональных состояний соответствующих систем (сокращение и расслабление мускулатуры, сон и бодрствование). Поэтому в различные фазы колебательного процесса отмечается разная реакция на внешние воздействия: разное направление смещения фазы суточного цикла при действии датчика времени в различные его моменты, отсутствие реакции на раздражение в рефрактерный период и т. п.
Физиологические ритмы • Ритмический характер изменения ряда функций не обнаруживается в первое время после рождения и формируется лишь спустя некоторый период. • суточный ритм сна и бодрствования появляется на втором месяце жизни, • ритм кортикостероидов в плазме крови с двухлетнего возраста. • Становление ритмов может продолжаться вплоть до периода полового созревания. • Время появления ритмичности зависит от уровня зрелости новорожденного. У недоношенных детей ритмичность формируется значительно позже по сравнению с родившимися в срок. Ведущими датчиками времени, с которыми сталкивается новорожденный, являются уход и кормление.
Физиологические ритмы n Изменения параметров биологических ритмов по мере старения ограничиваются в основном изменением амплитуды ритмов, вплоть до исчезновения некоторых из них (например, ритм экскреции гормона роста, тестостерона, лютеинизирующего гормона). n Следствием смещения фаз ритмов в процессе старения являются увеличение доли дневного сна, увеличение частоты прерывания ночного сна, раннее пробуждение n Интерференция колебаний метаболизма, вызванных экзогенными и эндогенными факторами, может привести к изменению физиологических функций с частотами, равными разности частот интерферирующих колебаний n Причины спонтанных определены. колебаний метаболизма не
Циркадианный (околосуточный) биологический ритм n n n n n Экспериментальные и клинические данные дают основание полагать, что состояние этого ритма является универсальным критерием общего состояни организма. Установлены циркадианные колебания более 300 физиологических функций организма человека - «циркадианная система человека» . масса тела является максимальной в 18— 19 ч частота сердечных сокращений — в 15— 16 ч частота дыхания — в 13— 16 ч систолическое артериальное давление — в 15— 18 ч уровень эритроцитов в крови — в 11— 12 ч лейкоцитов — в 21— 23 ч гормонов в плазме крови (АКТГ, кортизол, 17 -гидроксикортикостерон), циклического аденозинмонофосфата — в 8— 12 ч инсулина, ренина — в 18 ч тестостерона — в 8— 9 ч тироксина — в 14— 15 ч общего белка крови — в 17— 19 ч, фибриногена —в 18 ч, билирубина (общего) — в 10 ч, трансаминазы — в 8— 9 ч, холестерина — в 18 ч, азота мочевины — в 22— 23 ч.
Физиологические ритмы Утром замедляются, а вечером ускоряются психические процессы В свою очередь, на ритмы физиологических и психических функций влияют смены сна и бодрствования, активности и покоя Параметры суточной кривой работоспособности в период бодрствования (фаза, амплитуда, акрофаза) зависят от множества факторов: типа личности, общей обстановки, приема пищи, уровня мотивации и т. д.
Физиологические ритмы • Циркадианная система включает множество отдельных подсистем, каждая из которых, вероятно, способна самостоятельно, независимо от других подсистем периодически изменяться • Формирование единой циркадианной системы обеспечивается, с одной стороны, за счет четкой внутренней упорядоченности фазовых соотношений составляющих ее ритмов, с другой — за счет синхронизирующего действия внешних датчиков времени • регуляцию ритмов циркадианной системы обеспечивает гипоталамо гипофизарная система • При высокой степени сопряженности подсистем для синхронизации всей системы в целом не обязателен внешний датчик времени • Врожденная программа временной упорядоченности функций в процессе развития организма модифицируется в направлении приспособления к временному профилю среды.
Физиологические ритмы Способность «предсказывать» время суток позволяет организму опережающе предвидеть требования к гомеостатическим системам и заранее подключать для получения приспособительного результата те эффекторы, включение которых в ответную реакцию требует значительного времени, например, при нормальном сне температура тела и содержание кортикостероидов в плазме начинают повышаться задолго до окончания сна и пробуждение может наступить раньше, чем будет включен свет.
Хронопатология При патологии отмечается извращение многих физиологических процессов. У больных гипертонической болезнью II Б и III стадии в ночное время наступает не снижение, как у здоровых, а повышение всех показателей артериального давления, периферического сопротивления с одновременным уменьшением систолического и минутного объема крови. Эти гемодинамические сдвиги приводят к ухудшению состояния больных в ночное время. Рассогласование ритма биологических часов и фотопериодизма в осеннее и весеннее времена года является вероятной причиной обострения хронических заболеваний органов дыхания, сердечно сосудистой системы, пищеварительного тракта и др. Размножение некоторых паразитов в организме также имеет выраженную периодичность, ритмами хозяина. определяющуюся отчасти биологическими
Десинхроноз нарушение временной упорядоченности ритмов биологической системы Изучение механизмов возникновения десинхроноза имеет большое значение при организации режимов труда и отдыха у представителей различных специальностей, при проведении профилактических мероприятий с целью охраны здоровья. внешнеобусловленный десинхроноз, внешний десинхроноз - фазовое рассогласование между ритмами биологической системы и датчиками времени трасмеридианальное перемещение (через 4 - 5 часовых поясов) При перелете в западном направлении перестройка ритмов протекает в среднем быстрее, чем при перелетах в восточном направлении. у космонавтов во время космических полетов, при смене дневного режима работы на ночной. Приспособление к новым условиям продолжается несколько дней.
Десинхроноз Выраженность десинхроноза зависит от индивидуальных особенностей, возраста, характера датчиков времени Синхронизация ритмов организма с новыми датчиками времени происходит постепенно с приблизительной скоростью 1 - 2 ч в сутки и быстрее протекает у лиц моложе 30 лет.
Десинхроноз Внешний десинхроноз ведет к развитию внутреннего. Внутренний десинхроноз (выраженный или компенсированный) следствие стрессовой реакции вследствие нарушения координации между ритмами в самой системе нарушение временной упорядоченности функций усугубляет течение болезни и является неблагоприятным прогностическим признаком. в психиатрии причина патологического состояния.
Диагностика o o o Колебания метаболизма с периодом в десятые и сотые доли секунды свойственны нейронным биологическим часам. ритмы проявляются изменением реактивных свойств нейронов. определяют некоторые психофизиологические закономерности: длительность простых и сложных сенсомоторных реакций, зависимость величины ощущения от интенсивности сигналов, предельные значения информационного объема кратковременной памяти и т. д.
Практические результаты n Результаты исследований биологических ритмов широко применяют при организации профессионального труда, при организации режима труда и отдыха в космических полетах, при составлении графика спортивных тренировок, соревнований и т. д. n Лечение многих заболеваний должно строиться с учетом биологических ритмов.
Практические результаты • • Хронобиологи предложили, например, лечить расстройства сна следующим образом. Людей, страдающих бессонницей по ночам и с трудом борющихся со сном в дневное время, изолируют в помещении, где надежно отключены все датчики земного времени. В таких условиях ежедневно «передвигают» время отхода ко сну на три часа вперед. Эта хронотерапия продолжается в течение недели до тех пор, пока время отхода ко сну не совпадет со временем отхода ко сну у здоровых людей. При бронхиальной астме хронобиологи предложили проводить лечебные мероприятия в тот момент, когда ряд показателей, характеризующих работу дыхательной системы, находится на самом низком уровне в течение суточного цикла. Это определяется после круглосуточной регистрации ритмов работы органов дыхания. Такая лечебная тактика увеличивает в 3 раза число очень хороших результатов и сводит к минимуму случаи недостаточной эффективности лечения. Проблема рационального применения фармакологических средств у человека обусловила формирование нового направления — хронофармакологии, которая изучает действие лекарственных препаратов как функцию биологического времени, разрабатывает рекомендации о динамических дозах лекарств и их комбинаций, оптимального времени их введения.
Практические результаты Так, например, наибольший диуретический эффект фуросемида возможен приеме его в 10 ч, максимальное выведение с мочой калия — приеме в 17 ч, натрия — в 13 ч. Гипогликемический эффект от введения инсулина больше всего выражен в 8— 13 ч. Анализ суточного содержания гистамина в организме показал, что наибольшая его концентрация отмечается в 21— 24 часа. Это объясняет повышенную чувствительность аллергиков к антибиотикам, гистамину, домашней пыли именно в вечернее время. Поэтому антигистаминные препараты рекомендуется давать пациентам в вечерние часы, чтобы предупредить нежелательные аллергические реакции. При вечерних суставных болях, вызванных ревматоидным артритом, наибольший аналгезирующий эффект дает утренний (8 ч) или полуденный (12 ч) прием индометацина, а при ночных болях этот препарат целесообразнее назначать вечером (19 ч).
Практические результаты Общепринятым стало применение различных гормонов по схемам, разработанным хронобиологами. Так, гормональные препараты рекомендуется назначать в те часы, когда потребность организма в этих веществах максимальна, стимулируя таким образом работу и собственных желез внутренней секреции. Лечение, проводимое по такой схеме, оказывается наиболее эффективным, а дозы гормональных препаратов минимальными Наибольшая частота гипертонических кризов наблюдается, как правило, в вечерние и ночные часы, а большая часть больных с выраженной ишемической болезнью сердца приспосабливается к физической нагрузке хуже всего в утренние часы, что следует учитывать, назначая лечебно-профилактические мероприятия (например, повышая дозы в критические для обострения заболевания часы).
Практические результаты • Учение о биологических ритмах обосновывает рациональность постоянного распорядка дня, с определенными часами для сна, работы, отдыха. Ритмичным, соответствующим правильному индивидуальному графику должен быть и прием пищи • если принимать пищу общей калорийностью 2000 ккал только по утрам, то наблюдается снижение веса. Если та же пища принимается в вечерние часы, вес увеличивается • чтобы сохранить постоянный вес тела, достигнутый к 20 25 годам, пищу следует принимать 4 5 раз в день в точном соответствии с индивидуальными суточными затратами энергии и в те часы, когда появляется заметное чувство голода.
Практические результаты • Строгий распорядок дня предполагает, как правило, и преодоление импульсов ко сну или дремоте в период бодрствования, т. к. самые короткие периоды сна или дремоты у многих людей могут нарушить ночной сон • работоспособность человека меняется в циркадианном биологическом ритме • два подъема: с 10 до 12 ч и с 16 до 18 ч.
Практические результаты u Ночью работоспособность снижается, особенно в интервале от 1 до 3 часов ночи. У лиц, занятых в ночную смену, определяются различные изменения в функциональном состоянии организма. В одних случаях работа протекает на сниженном уровне вегетативных функций, соответствующем этой фазе циркадианного ритма, в других — уровень вегетативных показателей близок к их уровню днем и, следовательно, происходит обусловленная работой перестройка циркадианного ритма. Второй тип реакции обнаруживается, как правило, при более напряженной работе, сопровождается меньшими признаками утомления и чаще наблюдается у лиц с большим стажем работы в сменном производстве u Около 20% людей вообще не могут приспособиться к сменному графику работы, а у остальных для полной адаптации к преимущественно ночной смене требуется больше года сменного труда. Специально разработанные режимы труда и отдыха помогают сохранить в течение длительного времени высокую работоспособность.
Физиологические ритмы и десинхроноз u u В обычных условиях наблюдаются определенные соотношения между фазами отдельных околосуточных ритмов. Предполагают, что поддержание постоянства этих соотношений обеспечивает согласование функций организма во времени, обозначаемое как внутреннее согласование. под действием меняющихся с суточной периодичностью факторов среды (синхронизаторов, или датчиков времени) происходит внешнее согласование циркадианных ритмов. Различают первичные (имеющие основное значение) и вторичные (менее значимые) синхронизаторы. У животных и растений первичным синхронизатором служит, как правило, солнечный свет, у человека им становятся также социальные факторы.
Физиологические ритмы n n n Сезонные колебания физиологических показателей у многих теплокровных в определенной мере повторяют суточные: в зимний период отмечается понижение обмена и двигательной активности, в весенне-летний — активизация физиологических процессов. Динамика околосуточных ритмов обусловлена врожденными механизмами выработанным в течение жизни суточным стереотипом деятельности существование ряда относительно независимых осцилляторов, каждый из которых регулирует ритм определенной, широко разветвленной функциональной системы. в многоклеточных организмах центральные регуляторы не возбуждают колебаний в периферических тканях, а только синхронизируют присущие каждой клетке организма циркадианные ритмы по частоте и фазе.
Адаптация • • • Адаптация человека к новой системе датчиков времени, перестройка биологических ритмов происходят постепенно, различные функции организма перестраиваются на новый ритм в разные сроки: динамика высших корковых функций — в течение 1 - 2 сут. , частота сердечных сокращений и температура тела — в течение 5 - 7 сут. умственная работоспособность — в течение 3 - 10 сут. Новый или частично измененный ритм долго остается непрочным и довольно быстро может быть разрушен. В процессе перестройки суточного ритма можно выделить 3 стадии: скрытая стадия (сохранение прежнего стереотипа в течение 1 - 3 сут. ); стадия видимой перестройки (2 - 9 сут. ); стадия глубокой перестройки (упрочение нового стереотипа).
Адаптация • по возможности соответствие ритма сна и бодрствования естественным суточным ритмам организма, • ритмичность периодов сна и бодрствования, • физиологически оптимальное распределение времени на выполнение основных процедур распорядка дня, • психофизиологически обоснованное распределение видов деятельности (с учетом их напряженности, продолжительности и т. д. ), • предельно точное соблюдение режима, • «расшатывание» привычного режима жизнедеятельности до перехода к новому распорядку суток и «прививка» нового режима, • искусственное стимулирование адаптации организма к новому режиму (фармакологическое, активная саморегуляция функций).
Критика u Одна из современных теорий биологических ритмов особое внимание уделяет так называемым расчетным низкочастотным ритмам: физическому — с периодом 23 дня, эмоциональному — 28 дней и интеллектуальному — 33 дня. По мнению авторов этой теории, ритмы «запускаются» в момент рождения и сохраняются затем с удивительным постоянством в течение всей жизни. Первая половина периода каждого ритма характеризуется нарастанием, а вторая — спадом физической, эмоциональной или интеллектуальной активности. Эта теория, как свидетельствуют ее создатели, позволяет предсказывать возможности организма в тот или иной день на длительный срок вперед u Однако нельзя согласиться ни с одним из постулатов этой гипотезы, в частности — абсолютной неизменностью и одновременным запуском всех ритмов. Установлено, что в процессе индивидуального развития функции организма созревают и угасают с возрастом не одновременно.
Критика • Реальный вид кривой биологических ритмов очень далек от идеальной синусоиды, которой характеризуют расчетные ритмы • На фоне полного здоровья даже в зрелом организме биологические ритмы способны изменяться • ритм биения сердца меняется на протяжении суток в зависимости от уровня обмена веществ, ритм температуры искажается при заболевании, менструальный цикл у здоровых женщин может варьировать в пределах 6 дней и т. п. Кроме того, по данным физиологов, физическая, эмоциональная и интеллектуальная форма активности человека столь тесно связаны, что их искусственное разделение не представляется возможным. Поэтому серьезной научной проверки эта гипотеза не выдержала.
Большой круг циркуляции энергии Римскими цифрами обозначены меридианы
Скачать презентацию ХРОНОБИОЛОГИЯ БИОРИТМОЛОГИЯ БИОЛОГИЧЕСКИЕ РИТМЫ w периодически повторяющиеся
12 ММБИ - Хронобиология 42.ppt