Адаптация и циркадные ритмы

Глава 2. Адаптивные физиологические ритмы

    Биоритмологический  подход к феномену времени как  к биологическому параметру и  изучение закономерностей временной  организации живых систем открывают  новые возможности для регуляции  и управления процессами, протекающими в организме.

    Биологические  ритмы — колебания смены и  интенсивности процессов и физиологических  реакций. В их основе лежат изменения  метаболизма биологических систем, обусловленные влиянием внешних  и внутренних Факторов. Факторы, которые  влияют на ритмичность процессов, происходящих в живом организме, получили определение  "синхронизаторы",  или  "датчики  времени".

    Физиологические ритмы — циклические колебания в различных системах организма. Они составляют основу жизни. Одни ритмы поддерживаются в течение всей жизни, и даже кратковременное их прерывание приводит к смерти. Другие появляются в определенные периоды жизни индивидуума, причем часть из них находится под контролем сознания, а часть протекает независимо от него. Ритмические процессы взаимодействуют друг с другом и с внешней средой.

    Изменение ритмов, выходящих за пределы нормы, либо появление их там, где они  раньше не обнаруживались, связано  с болезнью.

    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. Они, как правило, не являются строго периодическими колебаниями: в  определенных пределах меняется их период, амплитуда, форма, уровень.

    Наиболее  близки к периодическим колебаниям физиологические ритмы, которые  возникают при усвоении организмом ритмичных внешних сигналов (напр., световых мельканий), различные адаптивные ритмы.

    Физиологические ритмы характеризуются широким  спектром частот; их период варьирует  от десятитысячных долей секунды  до нескольких лет. Часто один и тот  же показатель одновременно участвует  в нескольких видах колебательных  изменений (напр., пульсовые, дыхательные  и суточные изменения артериального  давления, волны различной частоты  на ЭЭГ). Характерные для одной  системы ритмы могут передаваться другой (напр., изменения частоты  сердечных сокращений в ритме  дыхания). Физиологические ритмы  могут быть замаскированы апериодическими  колебаниями исследуемого показателя (шумами) и другими ритмическими колебаниями, форма их часто бывает сложной. Поэтому разработаны  специальные  методы анализа, позволяющие выявлять и изучать скрытую периодичность  физиологических процессов (гармонический  анализ, автокорреляционный анализ, скользящее суммирование и др.).

    Большинство физиологических ритмов связано  с чередованием различных функциональных состояний соответствующих систем (напр., 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 рефракторный период и т.п.

    Адаптивные  физиологические ритмы выработались в процессе эволюции как форма  приспособления организмов к циклически меняющимся условиям среды. Наиболее изучены  околосуточные (циркадные) ритмы, циркадные  ритмы  отражают периодичность геофизических  факторов, обусловленную вращением  Земли вокруг своей оси. В течение  суток закономерно изменяется, прежде всего, естественное освещение. Суточным колебаниям подвержены цикл день-ночь, температура и влажность воздуха, напряженность электрического и  магнитного поля Земли, потоки разнообразных  космических факторов, падающих на Землю в конкретный временной  цикл. Под влиянием этих внешних  факторов совершалась эволюция всех форм жизни на Земле, колебания их в настоящее время, как и миллионы лет назад, играют жизненно важную роль для всех без исключения обитателей Земли. Напр., для дневных животных восход Солнца — сигнал для активной деятельности: добывания пищи, строительства жилья, выращивания потомства, а с наступлением темноты активизируются животные, ведущие  ночной образ жизни. И все животные "подстраиваются" к этому суточному ритму. А кто не сможет "вписаться" в этот режим, заданный природой, погибают. Для выживания любой организм должен соизмерить свой ритм с внешними ритмами. Адаптация конкретного организма или видовая адаптация к внешним условиям в широком биологическом смысле — это синхронизация жизненных процессов (ритмов) организма или целой популяции с внешними ритмами, таким образом, циркадная периодичность жизненных функций является врожденным  свойством.

    Для организма человека характерно повышение  в дневные и снижение в ночные часы физиологических функций, обеспечивающих его физическую активность (частоты  сердечных сокращений, минутного  объема крови, артериального давления, температуры тела, потребления кислорода, содержания сахара в крови, физической и умственной работоспособности  и др.). В обычных условиях наблюдаются  определенные соотношения между  фазами отдельных околосуточных  ритмов. Поддержание постоянства  этих соотношений обеспечивает согласование функций организма во времени, обозначаемое как  внутреннее  согласование. Помимо этого, под действием меняющихся с суточной периодичностью факторов среды (синхронизаторов, или датчиков времени) происходит   внешнее  согласование  циркадных 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 становится также социальные факторы.

    Динамика  околосуточных физиологических  ритмов у человека и высших животных обусловлена не только врожденными  механизмами, но и выработанным в  течение жизни суточным стереотипом  деятельности. Имеющиеся данные о  возможности рассогласования по частоте отдельных циркадных  ритмов дают возможность предположить существование целого 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 циркадные ритмы  по частоте и фазе. Регуляция физиологических  ритмов у высших животных и человека осуществляется в основном гипоталамо-гипофизарной системой.

    Циркадный механизм не универсален. Он различается  в зависимости от биологического вида или даже от типа клеток у одного организма. Полагают, что циркадный  механизм замыкается именно на уровне клетки в отличие, например, от менструального цикла, включающего нервные и  эндокринные взаимодействия многих тканей. Клеточные механизмы можно  изучать методами биохимии и генной инженерии. Существует множество биохимических  способов воздействия на работу циркадных  часов. Сначала использовались преимущественно  световые импульсы. Так, для дрозофилы  постоянного освещения — даже на уровне света неполной Луны —  достаточно, чтобы остановить ход  часов. При этом свет действует опосредованно, а не прямо на молекулы колебательного механизма. У большинства циркадных  ритмов период почти совсем не зависит  от уровня температуры, если только она  остается в физиологически допустимых пределах. Более того, циркадные  часы в отличие от подлинных независимых (по температуре) систем не защищены от перепадов температуры: малейшее изменение  последней способно сдвинуть их фазу. Помимо света и перепадов температуры  на период влияют многие химические вещества, изменяющие проницаемость мембран  и нарушающие синтез белка. Их кратковременное  введение приводит к сдвигу фазы. Однако затрагиваемые при этом процессы многочисленны и многообразны, и не ясно, чем может быть опосредовано их влияние на ход часов. Вероятно, ни сам АТФ, ни процесс его синтеза и распада не являются деталями механизма часов. То же можно сказать и о синтезе белков. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Глава 3. Адаптационные возможности организма под влиянием физических упражнений

3.1. Виды и механизм адаптации

3.1.1. Срочная и долговременная адаптация

    Срочная и долговременная адаптация. Резкое изменение условий внешней среды, несущее угрозу организму, запускает  его сложную адаптивную реакцию. Основной регуляторной системой последней  является гипоталамо - гипофизарноадреналовая система, деятельность которой, в конечном итоге, и перестраивает активность вегетативных систем организма таким  образом, что сдвиг гомеостаза устраняется  или заблаговременно прекращается. В этой адаптивной перестройке активно  участвует и нервная система, особенно ее гипоталамический отдел. В  центральной нервной системе  происходят изменения клеточного обмена, в частности, повышается метаболизм важнейших биологических макромолекул - РНК и белков. После ликвидации нарушений гомеостаза метаболизм макромолекул в нервных структурах, участвующих  в процессе адаптации, все еще  остается измененным. В этом и заключается  механизм адаптации: если угроза повреждения  гомеостаза повторится, она будет  протекать уже на фоне измененного, адаптированного к стрессорному воздействию метаболизма клеточных  структур.

    Поскольку повторное воздействие стресс-фактора  приводит к адаптации, а именно на этом основаны тренировки, то сдвиги в  метаболизме РНК и белков биологически целесообразны и способствуют более  эффективному развитию физиологических  адаптации. В процессе формирования адаптации к природным факторам среды ведущую роль играют реакции  коры надпочечников, возбуждаемые секрецией  адренокортикотропного гормона  гипофиза. Любое интенсивное воздействие  на организм приводит к появлению  в организме изменений, лучше  всего определяемых по состоянию  надпочечников - их весу и химическому  составу или по выделению в  кровь и содержанию в тканях гормонов кортикостероидов и катехоламинов. Это касается, в основном, формирования индивидуальных адаптаций, реакций организма на факторы внешней среды.

    Необычные факторы окружающей среды (в данном случае - физическая нагрузка) оказывающие  неблагоприятное влияние на общее  состояние, самочувствие, здоровье и  работоспособность человека, называются экстремальными факторами. По длительности воздействия на организм эти факторы  могут быть кратковременными, воздействие  которых организм компенсирует за счет имеющихся резервов, и длительные, которые требуют адаптационной  перестройки деятельности функциональных систем человека, иногда даже неблагоприятной  для здоровья.

    При кратковременных воздействиях экстремальных  факторов на организм человека запускаются  все имеющиеся резервные возможности, направленные на самосохранение, и  только после освобождения организма  от экстремального воздействия происходит восстановление гомеостаза (рис.1.).

    При длительных неадекватных воздействиях экстремальных факторов на организм человека функциональные перестройки  определяются

    Своевременным включением процессов восстановления гомеостаза их силой и продолжительностью.

    Большинство адаптационных реакций человеческого  организма осуществляются в два  этапа: начальный этап срочной, но не всегда совершенной, адаптации, и последующий  этап совершенной, долговременной адаптации.

    Срочный этап адаптации возникает непосредственно  после начала действия раздражителя на организм и может быть реализован лишь на основе ранее сформировавшихся физиологических механизмов. Примерами  проявления срочной адаптации являются: пассивное увеличение теплопродукции в ответ на холод, увеличение теплоотдачи  в ответ на тепло, рост легочной вентиляции и минутного объема кровообращения в ответ на недостаток кислорода. На этом этапе адаптации функционирование органов и систем протекает на пределе физиологических возможностей организма, при почти полной мобилизации всех резервов, но не обеспечивая наиболее оптимальный адаптивный эффект. Так, бег нетренированного человека происходит при близких к максимуму величинах минутного объема сердца и легочной вентиляции, при максимальной мобилизации резерва глюкогена в печени. Биохимические процессы организма, их скорость, как бы лимитируют эту двигательную реакцию, она не может быть ни достаточно быстрой, ни достаточно длительной.

    Долговременная  адаптация к длительно воздействующему  стрессору возникает постепенно, в результате длительного, постоянного  или многократно повторяющегося действия на организм факторов среды. Основными условиями долговременной адаптации являются последовательность и непрерывность воздействия  экстремального фактора. По существу, она развивается на основе многократной реализации срочной адаптации и  характеризуется тем, что в результате постоянного количественного накопления изменений организм приобретает  новое качество - из неадаптированного  превращается в адаптированный. Такова адаптация к недостижимой ранее  интенсивной физической работе (тренировка), развитие устойчивости к значительной высотной гипоксии, которая ранее  была несовместима с жизнью, развитие устойчивости к холоду, теплу, большим  дозам ядов. Таков же механизм и  качественно более сложной адаптации  к окружающей действительности.