Биологические ритмы

Все живые существа на Земле - от растений до высших млекопитающих - подчиняются  суточным ритмам. У человека в зависимости  от времени суток циклически меняются физиологическое состояние, интеллектуальные возможности и даже настроение. Ученые доказали, что виной тому колебания  концентраций гормонов в крови. В  последние годы в науке о биоритмах, хронобиологии было сделано многое, чтобы установить механизм возникновения  суточных гормональных циклов. Ученые обнаружили в головном мозге "циркадный  центр", а в нем - так называемые "часовые гены" биологических  ритмов здоровья. 
 
ХРОНОБИОЛОГИЯ - НАУКА О СУТОЧНЫХ РИТМАХ ОРГАНИЗМА

В 1632 году английский естествоиспытатель Джон Врен в своем "Трактате о  травах" ("Herbal Treatise") впервые  описал дневные циклы тканевых жидкостей  в организме человека, которые  он, следуя терминоло гии Аристотеля, назвал "гуморы" (лат. humor - жидкость). Каждый из "приливов" тканевой жидкости, по мнению Врена, длился шесть часов. Гуморальный цикл начинался в  девять часов вечера выделением первой гуморы желчи - "сhole" (греч. cholе - желчь) и продолжался до трех утра. Затем  наступала фаза черной желчи - "melancholy" (греч. melas - черный, chole - желчь), за которой  следовала флегма - "phlegma" (греч. phlegma - слизь, мокрота), и, наконец, четвертая  гумора - кровь.

Конечно, соотнести гуморы с известными ныне физиологическими жидкостями и тканевыми секретами  невозможно. Современная медицинская  наука никакой связи физиологии с мистическими гуморами не признает. И все же описанные Вреном закономерности смены настроений, интеллектуальных возможностей и физического состояния  имеют вполне научную основу. Наука, изучающая суточные ритмы организма, называется хронобиологией (греч. chronos - время). Ее основные понятия сформулиро вали выдающиеся немецкий и американский ученые профессора Юрген Ашофф и  Колин Питтендриг, которых в начале 80-х годов прошлого века даже выдвигали  на соискание Нобелевской премии. Но высшую научную награду они, к  сожалению, так и не получили.

Главное понятие хронобиологии - дневные циклы, длительность которых  периодична - около (лат. circa) дня (лат. dies). Поэтому сменяющие друг друга  дневные циклы называются циркадными ритмами. Эти ритмы напрямую связаны  с циклической сменой освещенности, то есть с вращением Земли вокруг своей оси. Они есть у всех живых  существ на Земле: растений, микроорганизмов, беспозвоночных и позвоночных животных, вплоть до высших млекопитающих и  человека.

Каждому из нас известен циркадный  цикл "бодрствование - сон". В 1959 году Ашофф обнаружил закономерность, которую Питтендриг предложил назвать "правилом Ашоффа". Под этим названием  оно вошло в хронобиологию  и историю науки. Правило гласит: "У ночных животных активный период (бодрствование) более продолжителен  при постоянном освещении, в то время  как у дневных животных бодрствование  более продолжительно при постоянной темноте". И действительно, как  впоследствии установил Ашофф, при  длительной изоляции человека или животных в темноте цикл "бодрствование - сон" удлиняется за счет увеличения продолжительности фазы бодрствования. Из правила Ашоффа следует, что именно свет определяет циркадные колебания  организма. 
 
ГОРМОНЫ И БИОРИТМЫ

В течение циркадного дня (бодрствования) наша физиология в основном настроена на переработку накопленных  питательных веществ, чтобы получить энергию для активной дневной  жизни. Напротив, во время циркадной  ночи питательные вещества накапливаются, происходят восстановление и "починка" тканей. Как оказалось, эти изменения  в интенсивности обмена веществ  регулируются эндокринной системой, то есть гормонами. В том, как работает эндокринный механизм управления циркадными циклами, есть много общего с гуморальной  теорией Врена.

Вечером, перед наступлением ночи, в кровь из так называемого  верхнего мозгового придатка - эпифиза  выделяется "гормон ночи" - мелатонин. Это удивительное вещество производится эпифизом только в темное время суток, и время его присутствия в  крови прямо пропорционально  длительности световой ночи. В ряде случаев бессонница у пожилых  людей связана с недостаточностью секреции мелатонина эпифизом. Препараты  мелатонина часто используют в качестве снотворных.

Мелатонин вызывает снижение температуры тела, кроме того, он регулирует продолжительность и  смену фаз сна. Дело в том, что  человеческий сон представляет собой  чередование медленноволновой и  парадоксальной фаз. Медленноволновый сон характеризуется низкочастотной активностью коры полушарий. Это - "сон  без задних ног", время, когда мозг полностью отдыхает. Во время парадоксального  сна частота колебаний электрической  активности мозга повышается, и мы видим сны. Эта фаза близка к бодрствованию  и служит как бы "трамплином" в пробуждение. Медленноволновая и  парадоксальная фазы сменяют одна другую 4-5 раз за ночь, в такт изменениям концентрации мелатонина.

Наступление световой ночи сопровождается и другими гормональными изменениями: повышается выработка гормона роста  и снижается выработка адренокортикотропного  гормона (АКТГ) другим мозговым придатком - гипофизом. Гормон роста стимулирует  анаболические процессы, например размножение  клеток и накопление питательных  веществ (гликогена) в печени. Не зря  говорят: "Дети растут во сне". АКТГ вызывает выброс в кровь адреналина и других "гормонов стресса" (глюкокортикоидов) из коры надпочечников, поэтому снижение его уровня позволяет снять дневное  возбуждение и мирно заснуть. В момент засыпания из гипофиза выделяются опиоидные гормоны, обладающие наркотическим  действием, - эндорфины и энкефалины. Именно поэтому процесс погружения в сон сопровождается приятными  ощущениями.

Перед пробуждением здоровый организм должен быть готов к активному  бодрствованию, в это время кора надпочечников начинает вырабатывать возбуждающие нервную систему гормоны - глюкокортикоиды. Наиболее активный из них - кортизол, который приводит к повышению давления, учащению сердечных  сокращений, повышению тонуса сосудов  и снижению свертываемости крови. Вот  почему клиническая статистика свидетельствует  о том, что острые сердечные приступы и внутримозговые геморрагические  инсульты в основном приходятся на раннее утро. Сейчас разрабатываются  препараты, снижающие артериальное давление, которые смогут достигать  пика концентрации в крови только к утру, предотвращая смертельно опасные  приступы.

Почему некоторые люди встают "ни свет, ни заря", а другие не прочь поспать до полудня? Оказывается, известному феномену "сов и жаворонков" есть вполне научное объяснение, которое  базируется на работах Жэми Зейцер из Исследовательского центра сна (Sleep Research Center) Станфордского университета в Калифорнии. Она установила, что  минимальная концентрация кортизола  в крови обычно приходится на середину ночного сна, а ее пик достигается  перед пробуждением. У "жаворонков" максимум выброса кортизола происходит раньше, чем у большинства людей, - в 4-5 часов утра. Поэтому "жаворонки" более активны в утренние часы, но быстрее утомляются к вечеру. Их обычно рано начинает клонить ко сну, поскольку гормон сна - мелатонин  поступает в кровь задолго  до полуночи. У "сов" ситуация обратная: мелатонин выделяется позже, ближе  к полуночи, а пик выброса кортизола  сдвинут на 7-8 часов утра. Указанные  временные рамки сугубо индивидуальны  и могут варьировать в зависимости  от выраженности утреннего ("жаворонки") или вечернего ("совы") хронотипов. 
 
"ЦИРКАДНЫЙ ЦЕНТР" НАХОДИТСЯ В ГОЛОВНОМ МОЗГЕ

Что же это за орган, который  управляет циркадными колебаниями  концентрации гормонов в крови? На этот вопрос ученые долгое время не могли  найти ответ. Но ни у кого из них  не возникало сомнений, что "циркадный  центр" должен находиться в головном мозге. Его существование предсказывали  и основатели хронобиологии Ашофф  и Питтендриг. Внимание физиологов привлекла давно известная анатомам структура головного мозга - супрахиазматическое  ядро, расположенное над (лат. super) перекрестом (греч. chiasmos) зрительных нервов. Оно  имеет сигарообразную форму и  состоит, например, у грызунов всего  из 10 000 нейронов, что очень немного. Другое же, близко расположенное от него, ядро, параветрикулярное, содержит сотни тысяч нейронов. Протяженность  супрахиазматического ядра также невелика - не более половины миллиметра, а  объем - 0,3 мм3.

В 1972 году двум группам американских исследователей удалось показать, что  супрахиазматическое ядро и есть центр управления биологическими часами организма. Для этого они разрушили  ядро в мозге мышей микрохирургическим путем. Роберт Мур и Виктор Эйхлер обнаружили, что у животных с нефункционирующим  супрахиазматическим ядром пропадает  цикличность выброса в кровь  гормонов стресса - адреналина и глюкокортикоидов. Другая научная группа под руководством Фредерика Стефана и Ирвина Цукера изучала двигательную активность грызунов с удаленным "циркадным центром". Обычно мелкие грызуны после пробуждения  все время находятся в движении. В лабораторных условиях для регистрации движения к колесу, в котором животное бежит на месте, подсоединяется кабель. Мышки и хомячки в колесе диаметром 30 см пробегают 15-20 км за день! По полученным данным строятся графики, которые называются актограммами. Оказалось, что разрушение супрахиазматического ядра приводит к исчезновению циркадной двигательной активности животных: периоды сна и бодрствования становятся у них хаотичными. Они перестают спать в течение циркадной ночи, то есть в светлое время суток, и бодрствовать циркадным днем, то есть с наступлением темноты.

Супрахиазматическое ядро - структура уникальная. Если ее удалить  из мозга грызунов и поместить  в "комфортные условия" с теплой питательной средой, насыщенной кислородом, то несколько месяцев в нейронах ядра будут циклически меняться частота  и амплитуда поляризации мембраны, а также уровень выработки  различных сигнальных молекул - нейротрансмиттеров, передающих нервный импульс с  одной клетки на другую.

Что помогает супрахиазматическому ядру сохранять такую стабильную цикличность? Нейроны в нем очень  плотно прилегают друг к другу, формируя большое количество межклеточных контактов (синапсов). Благодаря этому изменения  электрической активности одного нейрона  мгновенно передаются всем клеткам  ядра, то есть происходит синхронизация  деятельности клеточной популяции. Помимо этого, нейроны супрахиазматического ядра связаны особым видом контактов, которые называются щелевыми. Они  представляют собой участки мембран  соприкасающихся клеток, в которые  встроены белковые трубочки, так называемые коннексины. По этим трубочкам из одной  клетки в другую движутся потоки ионов, что также синхронизирует "работу" нейронов ядра. Убедительные доказательства такого механизма представил американский профессор Барри Коннорс на ежегодном  съезде нейробиологов "Neuroscience-2004", прошедшим в октябре 2004 года в  Сан-Диего (США).

По всей вероятности, супрахиазматическое  ядро играет большую роль в защите организма от образования злокачественных  опухолей. Доказательство этого в 2002 году продемонстрировали французские  и британские исследователи под  руководством профессоров Франсис  Леви и Майкла Гастингса. Мышам с  разрушенным супрахиазматическим  ядром прививали раковые опухоли  костной ткани (остеосаркома Глазго) и поджелудочной железы (аденокарцинома). Оказалось, что у мышей без "циркадного центра" скорость развития опухолей в 7 раз выше, чем у их обычных  собратьев. На связь между нарушениями  циркадной ритмики и онкологическими  заболеваниями у человека указывают  и эпидемиологические исследования. Они свидетельствуют о том, что  частота развития рака груди у  женщин, длительно работающих в ночную смену, по разным данным, до 60% выше, чем  у женщин, работающих в дневное  время суток. 
 
ЧАСОВЫЕ ГЕНЫ

Уникальность супрахиазматического ядра еще и в том, что в его  клетках работают так называемые часовые гены. Эти гены были впервые  обнаружены у плодовой мушки дрозофилы  в аналоге головного мозга  позвоночных животных - головном ганглии, протоцеребруме. Часовые гены млекопитающих  по своей нуклеотидной последовательности оказались очень похожи на гены дрозофилы. Выделяют два семейства часовых  генов - периодические (Пер1, 2, 3) и криптохромные (Кри1 и 2). Продукты деятельности этих генов, Пер- и Кри-белки, обладают интересной особенностью. В цитоплазме нейронов они образуют между собой молекулярные комплексы, которые проникают в  ядро и подавляют активацию часовых  генов и, естественно, выработку  соответствующих им белков. В результате концентрация Пер- и Кри-белков в  цитоплазме клетки уменьшается, что  снова приводит к "разблокированию" и активации генов, которые начинают производить новые порции белков. Так обеспечивается цикличность  работы часовых генов. Предполагается, что часовые гены как бы настраивают  биохимические процессы, происходящие в клетке, на работу в циркадном  режиме, но то, как происходит синхронизация, пока непонятно.