Ритмичность в биологии: определение, примеры и роль ритмов в живых организмах

Внешние и внутренние факторы, влияющие на ритмы

Ритмичность в биологии может быть обусловлена как внешними, так и внутренними факторами. Внешние факторы включают в себя такие изменения в окружающей среде, как смена дня и ночи, сезонные изменения, погодные условия и тд. Внутренние факторы, в свою очередь, зависят от внутренних часовых механизмов организма, таких как циркадные ритмы.

Один из основных внешних факторов, влияющих на ритмы в биологии, это свет. Смена дня и ночи, а также интенсивность света, играют важную роль в регуляции суточных ритмов живых организмов. Например, у многих животных существуют светочувствительные клетки, которые определяют время года и время суток и регулируют, например, время спящего и бодрствующего состояний.

Температура является еще одним внешним фактором, способным влиять на ритмы в биологии. Многие животные имеют встроенные часы, которые помогают им адаптироваться к сезонным изменениям температуры. Например, некоторые птицы регулируют свои ритмы миграции в зависимости от изменения температуры.

Внутренние факторы, влияющие на ритмы, связаны с биологическими часами, которые управляют внутренними процессами организма. Одним из наиболее известных таких биологических часов является циркадный ритм. Циркадные ритмы регулируют суточные циклы, такие как сон, пробуждение, пищеварение и другие физиологические процессы. Они также влияют на энергию и общую активность организма.

Кроме того, пищеварительная система, сердечно-сосудистая система, дыхательная система и многие другие внутренние органы также имеют свои ритмы, которые, в свою очередь, влияют на общую ритмичность организма.

Итак, внешние и внутренние факторы, такие как свет, температура, биологические часы и работа внутренних органов, оказывают значительное влияние на ритмы в биологии. Понимание и изучение этих факторов позволяет лучше понять роль ритмов в живых организмах и их значимость для поддержания здоровья и нормального функционирования организма.

Когда обратиться к врачу

Если человек регулярно испытывает нарушения сна или чувствует, что его циркадные ритмы нарушены, он может поговорить с врачом. Некачественный сон и недосыпание могут привести к осложнениям со здоровьем, в том числе это могут быть:

гипертония
диабет или инсулинорезистентность
апноэ сна
ожирение
инфаркт миокарда
инсульт
депрессия и тревога
психоз

Для людей с нерегулярным графиком, кто часто путешествует или работает в ночное время, может быть полезно спросить врача о способах ограничения циркадных нарушений

Мелатонин может вызвать сон и восстановить циркадные ритмы, но важно использовать его правильно. Поговорите с врачом, прежде чем использовать гормоны для восстановления цикла сна

Циркадные ритмы животных

Циркадные ритмы важны для определения режима сна и питания всех животных, включая человека. Существуют четкие закономерности активности мозговых волн, выработки гормонов, регенерации клеток и других видов биологической активности, связанных с этим ежедневным циклом.

Ритм связан с циклом света-темноты. Животные, содержащиеся в полной темноте в течение длительных периодов времени, в конечном итоге функционируют в «свободном» ритме, что означает, что их цикл сна и бодрствования сохраняется, даже если отсутствуют внешние сигналы. Каждый «день» их цикл сна сдвигается назад или вперед — в зависимости от того, являются ли они ночными (спят днем и активны ночью) или дневными (активны днем) животными — примерно на один час. Свободный ритм бега суточных животных приближается к 25 часам. Свободный циркадный ритм человека составляет немногим более 24 часов, а не 25 часов, как утверждают многие учебники (Cheisler 1999). Экологические сигналы, которые сбрасывают ритмы каждый день, называются Zeitgebers.

Хотя у свободно бегающих организмов все еще есть консолидированный цикл сна и бодрствования, когда они находятся в среде, защищенной от внешних сигналов, ритм не нарушается. (Увлечение можно определить как процесс, при котором связанные колебательные системы с одинаковыми периодами синхронизируются, например, когда менструальные циклы женщин, живущих вместе, синхронизируются или фактический график сна соответствует циркадному ритму). Они могут не совпадать по фазе с другими циркадными или ультрадиановыми (регулярное повторение менее 24 часов) ритмами, такими как температура и пищеварение. Исследования в этой области повлияли на дизайн окружающей среды космического корабля, поскольку было обнаружено, что системы, имитирующие цикл свет / темнота, очень полезны для астронавтов.

Циркадные «главные часы» у млекопитающих расположены в супрахиазматическом ядре (SCN), отдельной группе клеток, расположенных в гипоталамусе. Разрушение SCN приводит к полному отсутствию регулярного ритма сна и бодрствования. Этому способствуют фоторецепторы, обнаруженные в сетчатке, которые известны как ганглии меланопсина. Эти светочувствительные клетки, содержащие фотопигмент меланопсин, не отправляют информацию в зрительные части мозга; вместо этого они следуют по ретиногипоталамическому тракту, пути, ведущему к SCN. Исследователи обнаружили, что если клетки из SCN удаляются и культивируются, они сохраняют свой собственный ритм в отсутствие внешних сигналов.

Считается, что SCN получает информацию о длине дня от сетчатки, интерпретирует ее и передает ее в шишковидную железу (структура, похожая на горох, обнаруженная на эпиталамусе), которая затем в ответ выделяет гормон мелатонин. Секреция мелатонина достигает пика ночью и снижается днем. SCN, по-видимому, не может быстро реагировать на изменения световых / темных сигналов.

В начале двадцать первого века появились доказательства того, что циркадные ритмы обнаруживаются во многих клетках тела, за пределами основных часов SCN. Например, клетки печени реагируют на питание, а не на свет. Кажется, что клетки многих частей тела имеют свободный ритм.

Нарушение ритмов обычно оказывает краткосрочное негативное влияние. Многие путешественники испытали состояние, известное как смену часовых поясов, с сопутствующими ему симптомами усталости, дезориентации и бессонницы. Ряд других расстройств, таких как биполярное расстройство и нарушение сна, связаны с нерегулярным или патологическим функционированием циркадных ритмов.

В 2006 году исследователи предположили, что на нарушения циркадного ритма, обнаруживаемые при биполярных расстройствах, положительно влияет литий, блокируя фермент и стабилизируя биологические часы (Yin 2006).

Кроме того, циркадные ритмы и гены часов, экспрессируемые в областях мозга за пределами SCN, могут значительно влиять на эффекты, вызываемые злоупотреблением наркотиками, такими как кокаин (Uz 2003; Kurtuncu 2004). Более того, генетические манипуляции с генами часов сильно влияют на действие кокаина (McClung 2005).

Циркадные ритмы также играют роль в ретикулярной активирующей системе ретикулярной формации.

Можно ли перестроить циркадный ритм?

Сбросить «базовые настройки» организма вряд ли выйдет: рождённый совой утром «порхать», скорее всего, не сможет. Но, если сбили ритм затянувшейся вечеринкой или парочкой горящих дедлайнов, «часы» можно перенастроить и привести в норму. Вот что можно сделать:

Соблюдать гигиену сна. Просыпаться и засыпать в одно и то же время — первый шаг. Второй: за 2–3 часа до сна ограничить употребление еды и воздействие искусственного света. А при регулярных, не проходящих или сезонных проблемах с засыпанием стоит обратиться к сомнологу или неврологу — возможно, вы попали в 10% людей с синдромом задержки фазы сна.
Придерживаться режима в питании. Отсутствие режима в приёмах пищи сбивает сигналы «бодрости — утомлённости», которые подают циркадные ритмы. Чтобы организовать завтрак, обед и ужин в стабильный тайминг, проанализируйте график рабочих и домашних задач и впишите трапезы в подходящие окошки. Со временем привычка есть по графику закрепится, а бодрости и сил — прибавится.
Заниматься спортом. Регулярные занятия помогают стабилизировать циркадные ритмы. А ещё умеренная физическая нагрузка повышает качество сна. Бежать на бокс или воркаут, если не засыпается, не стоит: достаточно плавно увеличить активность в течение дня и недели.
Чаще гулять. Чем больше солнечного света получите днём — тем легче заснёте вечером. Совам стоит сместить ультрафиолетовые ванны ближе к полудню, чтобы спокойно ложиться в комфортное ночное время.

Определение понятия биоритмы

Биоритмы — сформированная в ходе эволюции модель приспособления, проявляющаяся в виде повторяющихся изменений характера и степени выраженности биохимических и физиологических реакций, характеризующая способность живых существ выживать в периодически изменяющихся условиях среды.

Способность организма изменять процессы жизнедеятельности под влиянием условий внешней среды генетически обусловлена и характерна всем живущим организмам. Она характерна не только отдельным клеткам, но и целым популяциям.

Биологические ритмы организма человека сформировались за миллионы лет эволюции и определяются движением планеты Земля.

Выделяют:

годовые циклы — обусловленные движением планеты вокруг Солнца;
месячные — зависящие от движения Луны вокруг Земли и их совместным вращением вокруг Солнца;
суточные — привязанные к вращению планеты Земля вокруг собственной оси.

Влияние этого ритмического рисунка накладывается на всех обитателей (растения, домашние и дикие животные, многоклеточные и одноклеточные организмы) на нашей удивительной планете. И человек – не исключение. Испокон веков он живет в сложной системе биоритмов, от изменяющихся за несколько секунд молекулярных, происходящих в живой клетке и обеспечивающих процессы энергетического обмена, до длительных годовых, связанных с движением Земли вокруг Солнца.

Три дополнительных вопроса про сон

Почему дети лунатят и говорят во сне, а в подростковом возрасте это пропадает

Все системы в нашем организме имеют особенность дозревать. Регуляция сна и бодрствования тоже постепенно налаживается. У детей ещё не очень развит нейрохимический блок, и когда в парадоксальной фазе дети видят сны, они реализуют команды, которые подаёт им мозг: строят гримасы, показывают язык, двигаются. Это нарушение поведения происходит в парадоксальном сне, когда у человека сохранены быстрые рефлексы и он может действовать в соответствии с фабулой сна.

‍

Сноговорение и снохождение происходит во второй фазе сна, когда какая-то часть мозга спит, а другая уже проснулась. Лунатики могут воспроизводить некоторые закрепившиеся рефлексы, выполнять последовательности действий, но делают они всё медленно — у них отсутствуют быстрые рефлексы.

‍

В подростковом возрасте возникает нейрохимический блок, который не пропускает команды и не даёт нашему телу их осуществлять. Получается активный мозг в парализованном теле. Сомнамбулизм к подростковому возрасту тоже обычно пропадает. Если в детстве ходят и разговаривают во сне 10–15% детей, к пубертату нервная система постепенно созревает, снохождение и сноговорение остаётся у 2–3%.

‍

Откуда берутся повторяющиеся страшные сны

Сновидения— это анализ накопленной за день информации, который, правда, может быть алогичным, поскольку в сновидениях преобладают свободные ассоциации

Обычно мы смотрим сны, ненужное забываем, важное — переводим в долгосрочную память и принимаем какие-то решения

‍

Навязчивые сны обычно бывают после какого-то страшного события. Мозг во сне обращается к этой ситуации, пытается её проанализировать, но не может ни решить, как действовать в будущем, ни забыть, ни принять этот ужас. Мозг не может отложить это и, как заезженная пластинка, постоянно возвращается к одному и тому же сюжету.

‍

Как работают наши внутренние часы и с чем связаны циркадные ритмы

Учёные стали искать, где находятся эти часы, и нашли их в центре мозга, в месте под страшным названием «супрахиазматическое ядро». Эта часть командует всеми остальными часами в нашем организме и устанавливает центральное время.

‍

Внутренние часы — это гены и белки, которые очень хитро регулируют друг друга, нашу активность, аппетит, секрецию гормонов, температуру тела, артериальное давление и другие показатели. Часы идут даже в клетках нашей кожи: они тикают уже несколько миллиардов лет. И у нас, и у мухи они устроены похоже. Это очень древний и надёжный механизм, против которого идти сложно.

‍

Как наладить режим при нарушении циркадного ритма

Соблюдение режима и регуляция света позволяют подстраивать свои внутренние часы под реальность, потихоньку их ускорять или замедлять. Люди, которые живут в Москве по времени Гонконга, вечером носят солнцезащитные очки, чтобы мозг думал, что уже закат, а утром используют светобудильники для имитации восхода.

‍

Налаживать режим после каникул или праздников лучше постепенно, поскольку нужен примерно час в сутки, чтобы организм перестроился на новый режим без последствий. Начинать нужно с того, чтобы раньше вставать на час: волевым усилием заставить себя лечь раньше мы, к сожалению, не можем. Лучше не пытаться этого делать, чтобы не связывать засыпание с тревожностью и не выработать условный рефлекс — «боязнь не заснуть».

‍

<<Блок перелинковки>>

‍

Примеры ритмов в живых организмах

Ритмичность является важной характеристикой живых организмов и проявляется на разных уровнях и в разных формах. Вот несколько примеров ритмов, наблюдаемых в жизни многих организмов:

Циркадные ритмы: это ритмы, которые повторяются примерно один раз за 24 часа. Один из наиболее известных примеров циркадных ритмов — это суточный цикл активности и покоя у многих животных, включая людей. Другие примеры включают сезонные циркадные ритмы, такие как миграция птиц и изменение активности некоторых животных в зависимости от времени года.
Биологические часы: в живых организмах есть внутренние механизмы, обеспечивающие регуляцию различных биологических процессов. Эти механизмы называются биологическими часами. Например, часы сна и бодрствования у людей и животных контролируются биологическими часами. Они регулируют уровень гормонов, температуру тела и другие физиологические параметры в течение суток.
Ритмы дыхания и сердечного ритма: дыхание и сердцебиение также являются ритмичными процессами. Они регулируются нервной системой и обеспечивают постоянный поступок кислорода и питательных веществ в организм, а также удаление отходов.
Развитие организма: многие организмы проходят через ритмичные этапы развития, такие как фазы роста, размножения и старения. Например, у человека есть ритм прорезывания зубов, половое созревание и менопауза.
Биолюминесценция: некоторые организмы способны излучать свет. Этот процесс может быть ритмичным, например, у морских дождевиков и огненных мух.
Ритмы сезонного изменения: многие жизненные процессы у животных и растений меняются в зависимости от сезонов года. Например, изменение окраски листьев в осеннее время или сезонные миграции животных.
Ритмы питания: многие организмы имеют ритмичное поведение в отношении питания. Например, ночное время выделяется для поиска пищи уночи или дневная активность у людей и животных, чтобы найти и потреблять пищу при свете.

Это только несколько примеров ритмичности в живых организмах. Ритмы играют важную роль в регуляции жизнедеятельности и обеспечивают поддержание гармонии и равновесия в организмах.

использованная литература

Ашофф Дж. (Ред.) 1965. Циркадные часы. Амстердам: North Holland Press.
Бернс, К. П. Э. 2006. Альтруизм в природе как проявление божественного Энергия. Zygon 41(1):125-137.
Чейслер К. А. и др. 1999. Стабильность, точность и почти 24-часовой период циркадного кардиостимулятора человека. Наука 284:2177-81.
Дитти Дж. Л., С. Б. Уильямс и С. С. Голден. 2003 Циркадный временной механизм цианобактерий. Анну Рев Жене 37:513-43
Дворник В., О. Н. Дворник. Виноградова, Е. Нево. 2003 Происхождение и эволюция генов циркадных часов у прокариот. Proc Natl Acad Sci USA 100:2495-2500.
Куртунку М. и др. 2004. Участие шишковидной железы в суточном приеме кокаина у мышей. Eur J Pharmacol. 12;489(3):203-5.
McClung C.A. и др. 2005. Регулирование дофаминергической передачи и вознаграждение кокаина геном Clock. Proc Natl Acad Sci U S A. 102(26):9377-81.
Ньюман Л. А., М. Т. Уокер, Р. Л. Браун, Т. В. Кронин и П. Р. Робинсон. 2003. Меланопсин образует функциональный коротковолновый фотопигмент. Биохимия 42(44):12734-8.
Такахаши Дж. С. и М. Зац. 1982. Регуляция циркадной ритмичности. Наука 217:1104–11.
Уз Т. и др. 2003. Шишковидная железа имеет решающее значение для циркадной экспрессии Period1 в полосатом теле и для циркадной сенсибилизации кокаина у мышей. Нейропсихофармакология 28(12):2117-23.
Инь Л., Дж. Ван, П. С. Кляйн и М. А. Лазар. 2006. Ядерный рецептор rev-erbα — критический литий-чувствительный компонент циркадных часов. Наука 311:1002-5.

А что влияет на сам циркадный ритм?

Один из очевидных факторов — свет. Природный и искусственный. Так что засыпать под фоновый сериал — не лучшая идея. Рискуете «обмануть» датчики ваших внутренних часов и сбиться с ритма. Лучше всего засыпать в темноте и тишине.

Есть и другие триггеры, способные внести смуту в наш внутренний тайминг.

Работа по сменам

Ночные дежурства и сменная работа по 10–12 часов — огромный стресс для организма. Как смена климата, только в социальном контексте. Люди, вынужденные трудиться в тёмное время суток, чаще склонны к нарушениям циркадного ритма.

Нестабильный режим

Наш организм — педант и перфекционист: в норме каждый день процессы в вашем теле чётко «расписаны по плану». Приёмы пищи, активность и сон должны происходить в одно и то же время. Если человек хронически живёт в рандомном режиме, тело испытывает стресс. Поэтому компенсировать будничный недосып упорным сном на выходных — сомнительная идея. Резкие скачки времени засыпания и пробуждения сбивают супрахиазматическое ядро с толку.

Смена часовых поясов

Вы собирали чемоданы, планировали досуг, просмотрели рекомендации и гайды всех известных тревел-блогеров, пролетели тысячи километров и вот наконец-то готовы насладиться путешествием. А ваш организм — нет. Разница в 1–2 часа может пройти безболезненно, но более серьёзный разрыв требует сложной перестройки ритма.

Фото: Peter Gudella / Shutterstock

Первые дни в отпуске тело будет жить по привычному таймингу — нужно время, чтобы синхронизироваться с новым местоположением. Поэтому ночное чувство голода или непривычное отсутствие аппетита, бессонница или чрезмерная сонливость — нормальные спутники в дальних путешествиях.

Циркадные часы

Суточная циркуляция энергии в органах

5:00 — 7:00 Толстая кишка.
Просыпайтесь, туалет, медитация.

7:00 — 9:00 Желудок.
Завтрак, прогулка, усвоение пищи.

9:00 — 11:00 Селезенка.
Четкое мышление, лучшее время для концентрации. Преобразование пищу в Ци.

11:00 — 13:00 Сердце.
Основная пища дня, прогулка, лучшее кровообращение.

13:00 — 15:00 Малая кишка.
Усвоение пищи, низкий уровень энергии, короткий сон, работа.

15:00 — 17:00 Мочевой пузырь.
Энергия восстановлена, работа и учеба.

17:00 — 19:00 Почка.
Упражнения, легкий ужин. усвоение питательных веществ. Восстановление костного мозга.

19:00 — 21:00 Перикардиум.
Легкое чтение, массаж стоп.

21:00 — 23 :00 Три части туловища.
Эндокринные и метаболические балансировки.

23:00 — 1:00 Желчный пузырь.
Сон, релиз желчи, восстановление клеток.

1:00 — 3:00 Печень.
Глубокий сон, очищение печени и крови.

3:00 — 5:00 Легкие.
Глубокий сон, сны и воспоминания, очищение легких.

Скачать печатную версию часов можно на нашем сайте

Купить настенные часы можно на сайте наших партнеров https://www.xn--24-6kcca2hd6be1b.xn--p1ai

Сдвиг фазы

Четыре примера переключения внутренних часов по таймеру, каждый на три дня подряд. Цифры — раз. Фазы внутренних часов: Синий: внутренние часы установлены на «Ночь». Желтый: внутренние часы установлены на «день». Эффект таймера темноты / света: Синяя стрелка: темнота сигнализирует о «ночи». Желтая стрелка: световые сигналы «день».Вверху слева: в 6 утра внутренние часы уже отсчитывают день (желтый маршрут), но в 7 утра все еще темно (синяя стрелка). Организм адаптируется и ожидает более позднего рассвета. Вверху справа: внутренние часы не ждут до 18:00, но уже темно в 17:00. Организм адаптируется и тогда ожидает ночь раньше. Внизу слева: в 5 утра внутренние часы по-прежнему настроены на ночь, но уже светят. Внизу справа: в 19 часов внутренние часы уже настроены на ночь, но все еще светятся.

Поскольку продолжительность периода внутренних часов не равна 24 часам, а время восхода и захода солнца меняется в течение года, внутренние часы должны иметь возможность корректировать себя с помощью сигналов внешних часов.

Во внутренних часах есть два типа сдвига фазы:

Слабый фазовый сдвиг (реакция типа 1): реакция на таймер относительно небольшая, самое большее несколько часов. На рисунке справа показаны реакции типа 1 с фазовым сдвигом на один час каждая.
Сильный фазовый сдвиг (реакция типа 0): где-то в цикле есть определенная точка, в которой таймер может сдвинуть внутренние часы вперед или назад на срок до 12 часов.

Будет ли организм проявлять реакцию типа 1 или типа 0, зависит от типа организма и интенсивности стимула. Когда стимул является интенсивным, организм, который обычно имеет слабую реакцию Типа 1, может ответить сильной реакцией Типа 0. Одно исследование показало, что люди, подвергающиеся воздействию яркого света утром в течение трех дней подряд, могут реагировать большим фазовым сдвигом.

Что нарушает циркадный ритм?

В то время как циркадные ритмы протекают естественным образом, несколько факторов могут влиять на них в течение дня.

Свет

Нерегулярный свет может нарушить нормальный циркадный ритм. Циркадные часы наиболее чувствительны примерно за 2 часа до обычного сна человека. Использование яркого света в это время может сместить потребность во сне, поэтому человек может заснуть поздно ночью и проснуться позже утром. В отличие от этого, яркий утренний свет может вызвать пробуждение. Сон в светлой комнате также может разбудить человека раньше, чем это необходимо, и сместить его обычное время сна.

Цвет

Цвет света нарушает циркадные паттерны. Синий свет длины волны оказывает самое сильное воздействие. Синий и белый свет в чувствительные периоды дня, например за 2 часа до сна, затрудняет засыпание. Распространенные источники включают электронные экраны на таких устройствах, как телефоны, компьютеры и телевизоры. Другие длины волн света оказывают меньшее влияние на циркадные часы.

Нездоровые привычки

Наличие нездоровых привычек может нарушить циркадные часы в течение дня. Это может включать в себя:

не иметь установленного времени сна
ужинать поздно
потреблять кофеин поздно ночью
использовать электронные устройства поздно ночью
выполнять умственно стимулирующие действия перед сном
испытывать боль или дискомфорт

Сменная работа

Люди, которые работают в вечерние смены или работают всю ночь, могут иметь нарушения естественных циркадных ритмах. По мере того как организм реагирует на естественные циклы солнечного света и темноты, сменная работа меняет их циркадные ритмы.

Путешествия

Люди, которые часто путешествуют, могут отмечать нарушения сна и своих циркадных ритмов, особенно если они часто перемещаются между часовыми поясами. Смена часовых поясов может вызвать ощущение сонливости или усталости, когда тело пытается догнать изменения времени и новые ритмы дня.

Различные состояния

Основные нарушения сна могут влиять на циркадные ритмы, в том числе:

Синдром задержки фазы сна: когда циркадный ритм замедляется, человек предпочитает засыпать и просыпаться позже.
Синдром отсроченной фазы сна: циркадный ритм прогрессирует, поэтому человек чувствует сонливость рано вечером и просыпается рано утром.
Нерегулярное нарушение сна и бодрствования: отсутствие регулярного ритма приводит к нарушениям сна и бодрствования.
Нарушение 24-часового сна-бодрствования: циркадный ритм не синхронизирован с 24-часовым днем, что приводит к периодам сонливости и бессонницы.

Как устроен циркадный ритм?

Циркадные «часы» — это 20 тысяч нервных клеток, объединённых в генераторе — супрахиазматическом ядре. «Механизм» находится в гипоталамусе: оттуда ядро контролирует нейроэндокринную работу мозга и организма в целом. В частности, управляет выделением мелатонина и изменением температуры тела в зависимости от положения солнца.

С рассветом температура тела растёт, после заката — снижается, и организм вырабатывает мелатонин, способствующий засыпанию. Биологически выстраивать взаимодействие с окружающим миром проще в светлое время суток. А силы на это взаимодействие аккумулируются ночью — поэтому так важен качественный сон.

В целом, человеку достаточно 7–9 часов для поддержания сил и здоровья, но бывают уникальные случаи: кто-то может без ущерба для организма высыпаться за шесть часов, другим комфортно проводить на подушке половину дня.

Генетика циркадных ритмов

Как же работает циркадная регуляция? Ответ заключён в генетике растений. Часы закодированы несколькими генами которые контролируют друг друга, представляя собой само-регулируемую систему известную как ингибирующая петля обратной связи. Рисунок 2 показывает как работает эта генетическая регуляция на примере циркадных часов с двумя генами. Сначала включается ген А (с помощью свето-зависимого процесса) и производит белок А. Белок А затем активирует ген Б, что приводит к получению белка Б. Белок Б подавляет экспрессию гена А, что ведёт к понижению уровня белка Б и к возобновлению экспрессии гена А. Таким образом получается цикл в котором белок А производиться по очереди с белком Б. Если каждая из этих регуляционных стадий занимает 12 часов, результатом является 24-часовой ритм, который способен поддерживать себя в неизменяющихся условиях (например, 24 часа постоянного света).

На практике, механизм лежащий в основе циркадных ритмов гораздо сложнее: циркадные часы растений зависят от системы включающей более чем 20 генов и белков (). Эта система настолько сложна что биологи с большим трудом пытаются разобраться во всех её взаимосвязях и предсказать что произойдёт если эти взаимосвязи нарушены. Чтобы добиться успеха, биологи прибегли к помощи математиков для создания вычислительных моделей циркадных часов, которые, в настоящее время, используются для разработки экспериментов. К примеру, были построены модели которые интегрируют информацию об уровне света, наличии CO₂, и температуре с моделями экспрессии циркадных генов. Эти модели затем используются для предсказания скорости роста растений при разной продолжительности дня.

Рисунок 2: Ингибирующая петля обратной связи на простом примере циркадных часов
Кэтрин Хаббэрд Lights activates expression of gene A: Свет активизирует экспрессию гена А;
Protein B represses expression of gene A: Белок Б подавляет экспрессию гена А;
Protein A activates expression of gene B: Белок А активизирует экспрессию гена Б;
Gene: Ген;
Protein: Белок;
Protein concentration: Концентрация белка;
Time (hours): Время (в часах)

Циркадные ритмы растений

Способность синхронизироваться с ежедневными изменениями температуры и света является большим преимуществом для растений, которые, как и сидячие организмы (которые не передвигаются), тесно связаны с окружающей их средой. Например, циркадные часы вносят существенный вклад в фотосинтез, в результате чего считается, что часы увеличивают рост и выживаемость растений. По мере того, как дни становятся короче и прохладнее, растения могут изменять экспрессию своих генов, чтобы подготовиться к концу вегетационного периода и к зиме. На самом фундаментальном уровне циркадные ритмы — это циклическая экспрессия генов в отдельных клетках. Это циклическое выражение контролируется центральными часами, которые реагируют на световые и температурные воздействия.

Поэтому изучение циркадных ритмов представляет особый интерес для биологов-растений. Многие из генов, контролируемых циркадным ритмом, участвуют в толерантности к холоду и заморозке, а также в фотосинтезе. Лучшее понимание этих генов может позволить создать устойчивые к стрессу растения, которые лучше выживут при низких температурах и будут расти с большей энергией. Такое развитие событий позволит расширить как вегетационный период, так и диапазон роста для многих экономически важных культур.

Во сне мозг не отключается — он просто занят другой работой

Центры мозга, которые днём отвечали за взаимодействие человека с окружающей средой, помогали нам обрабатывать информацию и избегать опасности, ночью начинают руководить организмом и восстанавливать его жизнеспособность. Они настраивают работу печени, лёгких, лимфатической системы, иммунитета. Во время сна все внутренние процессы восстанавливаются.

Параллельно эти процессы идти не могут: невозможно одновременно расходовать энергию и накапливать. Когда мозг включает каналы, которые активно работают вовне, у него не остаётся ресурсов обрабатывать что-то внутри. Когда машина едет, сложно заниматься её техобслуживанием и менять колёса на ходу.

‍

Восстановление работоспособности происходит преимущественно в первые четыре-пять часов сна. В оставшиеся три-четыре часа мозг в основном «переваривает» информацию, запоминает нужное и забывает ненужное, сортирует новый опыт по различным системам памяти, формирует ассоциации. Информационная фаза обработки накопленного опыта ближе к утру, поэтому и сны нам снятся в это время.

‍

<<Параграф c цитатой>>

‍

Существуют ли совы и жаворонки?

Если бы человечество жило по одному циркадному ритму, то превратилось бы в муравейник: все бодрствуют, спят, работают и отдыхают одновременно. В реальности комфортное время сна и пробуждения индивидуально и зависит, в частности, от генетики.

Теория жаворонков и сов — не отговорка любителей поспать, а народное обозначение хронотипов.

Хронотип — это индивидуальный суточный ритм. Одним легче работается утром, другие генерируют идеи ближе к ночи — значит, в разное время случаются пики мозговой и гормональной активности. В «часах», которые «тикают» по своим правилам, нет ничего патологичного. Но владельцам «совиных» будильников иногда приходится нелегко: большая часть социальной жизни заточена под жаворонков.

Фото: DimaBerlin / Shutterstock

Удалёнка и свободный график создают гибкие условия для адаптации сов: теперь можно в 9–11 утра проснуться, надеть симпатичную пижаму и сесть за ноутбук, не сильно сбивая свои внутренние часы.

На этапе детского садика и начальной школы жить по расписанию ранних пташек совам не так трудно: дети в целом склонны к ранним подъёмам и пробуждениям. Но с возрастом наши циркадные ритмы меняются. Поэтому подростки часто просыпают первый урок — дело не в безответственности: организм тинейджеров перестраивается и требует больше активничать вечером и дольше спать утром.

Установить хронотип — важный шаг на пути к продуктивности. Но придётся внимательно понаблюдать за собой и прислушаться к своим особенностям:

В какое время легче проснуться без переноса будильника?
Когда впервые за день хочется есть?
В какие часы удаётся сесть за работу без уговоров и отвлечений на «только пять минут полистаю ленту»?

Суточные ритмы

Многие ученые, включая меня, продолжают изучать влияние суточных ритмов на физиологию, метаболизм и даже на когнитивные функции взрослых людей. Мы установили, что ритмичность, или строгая закономерность, наблюдается почти во всех аспектах нашей повседневной жизни. Конечно, человеческие существа не цветут, как растения, и не мигрируют на дальние расстояния, как птицы, однако у нас тоже есть циркадные часы, которые отвечают за то, чтобы почти все процессы, связанные с нашим здоровьем, происходили в определенное время дня или ночи. Можно сказать, что наш организм запрограммирован на ежедневное выполнение действий в соответствии со строго определенными ритмами. В свою очередь,

Вот почему при работе с этой книгой вам следует иметь в виду, что самыми важными для жизни и здоровья окажутся те изменения, которые оптимизируют вашу деятельность в период с 6 часов вечера до полуночи.

Еще до того, как мы просыпаемся утром, внутренние часы готовят организм к пробуждению. Эта подготовка начинается с того, что шишковидная железа прекращает вырабатывать гормон сна мелатонин. У нас немного учащается дыхание, на несколько ударов в минуту возрастает частота сердечных сокращений и слегка повышается кровяное давление. Внутренняя температура тела поднимается на полградуса.

Наше общее самочувствие зависит от согласованности суточных ритмов. По утрам хорошее самочувствие означает, что мы чувствуем себя свежими и отдохнувшими после хорошего ночного сна, легко опорожняем кишечник, избавляясь от накопившихся за ночь токсинов, ощущаем бодрость, легкость и чувство голода. Вскоре после того, как мы открываем глаза, надпочечники увеличивают выработку гормона стресса кортизола, чтобы помочь нам энергично совершать утренние ритуалы. Поджелудочная железа готовится к высвобождению инсулина, чтобы справиться с завтраком.

После хорошего ночного сна и получения питательных веществ за завтраком мозг приходит в состояние готовности заниматься обучением и решением проблем в течение первой половины дня. В середине дня мы будем хорошо себя чувствовать, если объем выполненной работы окажется достаточным, чтобы мы были довольны результатами своих усилий. (Если вы не выспались, может возникнуть гнетущее ощущение, что вы попусту тратите время.) К концу дня мышечный тонус достигает пика, а после захода солнца температура тела начинает понижаться, в организме увеличивается выработка гормона сна мелатонина, организм готовится ко сну.

В вечернее время хорошее самочувствие означает снижение активности, чувство усталости и легкое погружение в глубокий сон. Сон не является для тела состоянием по умолчанию, в котором мозг просто отключается. На самом деле во время сна мозг очень занят. Он консолидирует воспоминания, основанные на сенсорной информации, полученной нами в течение дня, и сохраняет эту информацию путем создания новых синапсов, или связей, между нейронами. Кроме того, ночью мозг производит довольно много гормонов, в частности мелатонин и гормон роста человека. При дефиците сна производство гормона роста резко снижается, что особенно опасно для детей, так как может стать причиной задержки развития.

Суточные ритмы человека. Многие из функций нашего организма достигают пика в определенные периоды дня или ночи. Считается, что они регулируются нашими циркадными часами. Если нас полностью изолируют от естественного цикла дня и ночи, нормальное расписание этих ритмов будет сохраняться всего несколько дней.

Помимо прочего, ночью мозг занимается детоксикацией. Днем нервные клетки абсорбируют и перерабатывают питательные вещества, и в ходе этого процесса вырабатываются нежелательные токсичные побочные продукты. Во время сна эти токсины выводятся из мозга и в процессе нейрогенеза создаются новые клетки мозга. В этом отношении мозг можно сравнить с офисом: когда вы приходите в офис утром, у вас не возникает мысли о том, что кто-то работал там ночью, хотя на самом деле уборщики мыли полы, выносили мусор, системный администратор проводил апгрейд серверов, ремонтники меняли перегоревшие лампы освещения. Все эти работы должны выполняться для того, чтобы утром вы могли прийти и начать работать.