Биологические ритмы животных и человека: что это, влияние циркадных ритмов на обучение — как эффективно учиться, зная свой хронотип

что это, влияние циркадных ритмов на обучение — как эффективно учиться, зная свой хронотип

Что такое биоритмы 

Биоритмы — это не какое-то мистическое понятие вроде астрологии или веры в приметы. Это неотъемлемое свойство всего живого. У каждого организма есть свои циклы, которые помогают ему чередовать фазы активности и восстановления. Человек — не исключение. От соблюдения биоритмов зависит его способность учиться и работать быстрее и эффективнее, принимать решения, чувствовать радость. 

Биологические ритмы (биоритмы) — это периодические изменения интенсивности и характера биологических процессов, которые сами поддерживаются и воспроизводятся в любых условиях.

Биоритмы бывают разные — от полуторачасовых до годовых. Более всего на работоспособность организма влияют суточные или циркадные ритмы. Их исследовал французский астроном Жан-Жак де Меран в 1729 году, когда заметил ежедневное движение листьев мимозы. Он предположил, что у растения есть свой механизм, подобный циклу сна и бодрствования у человека.

С тех пор циркадные ритмы подвергались тщательному изучению: учёные скрещивали растения, исследуя гены, которые формируют суточный ритм, анализировали поведение животных, ставили эксперименты с участием людей. 

В 2017 году учёные Джеффри Холл, Майкл Росбаш и Майкл Янг получили Нобелевскую премию за открытие молекулярных механизмов, контролирующих циркадный ритм, что ещё раз подчеркнуло значимость изучения биоритмов.  

Приведём лишь несколько научных фактов о биологических ритмах, важных для нашей темы:

• Особенности циркадных ритмов определяются наследственностью и передаются на генетическом уровне.
• Свет — наиболее эффективный сигнал, поддерживающий баланс суточных ритмов. Специальные клетки сетчатки глаза человека, реагируя на свет, посылают сигнал напрямую в супрахиазматическое ядро — центр контроля циркадных ритмов в организме человека.
• Даже при отсутствии естественного света циркадные циклы в организме человека сохраняются. В ходе эксперимента, где люди были изолированы от естественного света и часов, у них вырабатывался 25-часовой циркадный ритм. 
• Использование искусственного света увеличивает циркадный ритм. В том самом эксперименте переход на 25-часовой суточный режим был связан с тем, что люди по своему усмотрению могли пользоваться искусственным светом. В скорректированном виде циркадный ритм составил 24 часа 11 минут.

Что происходит при нарушении циркадных ритмов 

При частой смене часовых поясов и, как следствие, режима дня, может возникнуть джетлаг — «рассогласование» циркадных ритмов. Джетлаг сопровождается бессонницей, апатией, усталостью, пониженным настроением. 

К другим расстройствам, связанным с суточными ритмами, относятся так называемая «бессонница выходного дня», синдром задержки или опережения фазы сна, нерегулярный ритм сна и бодрствования. Каждое из этих нарушений сна способно подорвать психическое равновесие и работоспособность.  

<<Форма демодоступа>>

Влияние биоритмов на работоспособность и успеваемость 

Индивидуальные особенности суточных биоритмов называют хронотипом человека. Мы знаем о трёх хронотипах: совы, жаворонки и голуби. А учёные выделяют целых семь хронотипов, но для удобства они объединены в эти три группы.

• Ранний хронотип — жаворонки — предпочитают ранний подъём. Легко просыпаются, наиболее активны и работоспособны по утрам, но быстро утомляются к вечеру, сонливость наступает уже в 20–22. Плохо адаптируются к изменению распорядка дня.
• Средний хронотип — голуби — пробуждаются рано, клевать носом начинают с 22 до 24. Пики активности у них наблюдаются с 10 до 12 и с 16 до 18, а в обеденное время работоспособность падает.
• Поздний хронотип — совы — ложатся спать после 24 часов. Наиболее активны в вечернее и ночное время, с утра у них плохая работоспособность.

Изменение эффективности у разных хронотипов связано с изменением уровня гормонов — серотонина, мелатонина и кортизола. Так, уровень мелатонина у жаворонков к вечеру падает, а у сов, наоборот, находится на пике.

Хронотип и успехи в школе

Жаворонкам и голубям живётся проще в современном городском ритме. Совам по утрам трудно быть концентрированными, вникать в новый материал и быстро реагировать на изменения. В то же время этому хронотипу проще работать с объёмными домашними заданиями: к вечеру их работоспособность достигает пика, тогда как жаворонки и голуби уже начинают спать на ходу. 

Однако, по словам учёных, ярко выраженный хронотип имеется всего у 20% людей. Остальные находятся как бы на стыке и при необходимости могут скорректировать свои биологические часы в нужную сторону.

Кроме того, многие люди, особенно школьники и студенты, ошибочно причисляют себя к совам. Зачастую отсутствие бодрости по утрам связано с недостаточным количеством сна, а вечерняя бодрость и бессонница до полуночи — с активным использованием ноутбуков и телефонов вечером. Яркий экран и постоянный поток информации мешают мозгу настроиться на плавный отход ко сну.

Хронотипы и обучение в онлайн-школе

Обучение в домашней школе «Фоксфорда» одинаково комфортно для всех «птичек». И вот почему:

• Меньшее количество учебных часов, чем в обычной школе. Сравниваем: пятиклассник в домашней школе «Фоксфорда» тратит в неделю 14 часов на вебинары и пять — на самостоятельные занятия. В обычной школе нагрузка порядка 24–25 часов в неделю. При этом выполнять домашние задания представитель каждого хронотипа может в наиболее продуктивное для себя время, подстраиваясь под свои биологические часы.
• Больше свободного времени по утрам. Сборы в школу и дорога до неё — это полтора-два часа бесценного времени. Именно их не хватает совам, чтобы выспаться, а жаворонок может потратить утренние часы на самостоятельное изучение материала вместо тряски в автобусе или метро. Занятия начинаются не раньше 10 утра по московскому времени — можно полноценно выспаться, позавтракать и настроиться на учёбу. 
• Возможность сосредоточиться. На онлайн-занятиях школьник находится дома, и раздражающие факторы в виде шума назойливых соседей по классу, холода, яркого или, наоборот, тусклого света, которые ещё больше снижают уровень концентрации сов по утрам, отсутствуют. Можно создать идеальные условия для учёбы дома и полностью погрузиться в материал.
• Запись занятий. Все онлайн-занятия доступны в записи: сова, например, может дополнительно посмотреть вечером тему, которая трудно далась утром, а жаворонок — освежить знания с утра.
• Привычка планировать. Большее количество свободного времени и занятия для самостоятельного изучения дают возможность выстраивать жизнь исходя из своих биоритмов. Понимание, как эффективно учиться в школе, используя особенности своего организма, поможет и во взрослой жизни. 

Как применить знания о хронотипах: советы школьникам 

Эти рекомендации помогут поддерживать в порядке циркадные ритмы организма и избегать нарушений сна:

• Подстраивайтесь под солнечный свет. Попробуйте не задёргивать шторы плотно на ночь, чтобы утром солнечный свет помогал организму проснуться и настроить свои биологические часы. А также старайтесь чаще бывать на свежем воздухе в течение дня.
• Не злоупотребляйте искусственным освещением. Конечно, совсем от него отказаться не получится, но попытайтесь хотя бы свести его к минимуму по вечерам. В книге «Найди время. Как фокусироваться на главном» Джейк Кнапп, ведущий разработчик Google, рассказывает, как ему помогает засыпать  «искусственный закат»: за полтора-два часа до отхода ко сну он постепенно уменьшает интенсивность света в доме, а за час до сна прекращает пользоваться гаджетами, чтобы дать глазам и мозгу отдохнуть. Воспользуйтесь этим советом для настройки собственных биочасов.
• Ложитесь спать и вставайте в одно и то же время. Привычка отсыпаться до обеда в субботу или воскресенье никак не поможет накопить запас сна на всю неделю, а вот сбить циркадные ритмы в организме может. Вставать в выходные позже можно, но не более чем на полтора-два часа. Это правило поможет сохранить работоспособность на высоком уровне и после выходных.

Знание сильных и слабых сторон своего хронотипа помогает учиться быстрее и эффективнее, повышать работоспособность согласно биологическим часам. Нужно соблюдать лишь несколько правил.

Жаворонки

• Не назначайте встречи, занятия с репетитором, важные события на поздний вечер.
• При смене режима или часовых поясов давайте себе дополнительные пару часов для восстановления. 

Голуби

• Учитывайте кратковременный спад активности днём — можно попробовать дневной сон.
• Снизьте количество активных событий вечером. 

Совы

• Повышайте свой уровень энергии по утрам за счёт питательного завтрака, витаминов, утренней зарядки, пробежки или небольшой прогулки.
• Дополнительные занятия или курсы, выполнение творческих работ переносите на ранний вечер. 
• Уменьшайте количество искусственного света и отказывайтесь от использования гаджетов за час до сна, чтобы засыпать раньше.

И конечно, строго обязателен для всех «птичек» 8-часовой сон, иначе, вне зависимости от хронотипа, по утрам вы всегда будете несчастной «совой», а по вечерам — измотанным «жаворонком».   

Иллюстрация: Aga Koniuszek / Dribbble

БИОЛОГИЧЕСКИЕ РИТМЫ • Большая российская энциклопедия

БИОЛОГИ́ЧЕСКИЕ РИ́ТМЫ (био­рит­мы), пе­рио­ди­че­ски по­вто­ряю­щие­ся из­ме­не­ния ин­тен­сив­но­сти и ха­рак­те­ра био­ло­гич. про­цес­сов и яв­ле­ний. Под Б. р. в ши­ро­ком смыс­ле по­ни­ма­ют все цик­лич. про­цес­сы, про­те­каю­щие в жи­вых сис­те­мах раз­но­го уров­ня ор­га­ни­за­ции. Пе­рио­ды этих цик­лов варь­и­ру­ют от мил­ли­се­кунд­ных ко­ле­ба­ний ней­ро­наль­ной ак­тив­но­сти до мно­го­лет­них ва­риа­ций ди­на­ми­ки по­пу­ля­ций. Сре­ди них вы­де­ля­ют т. н. ра­бо­чие, или фи­зио­ло­ги­че­ские, рит­мы, ко­то­рые яв­ля­ют­ся не­об­хо­ди­мым ус­ло­ви­ем функ­цио­ни­ро­ва­ния био­ло­гич. сис­тем (напр., рит­мы ды­ха­ния и со­кра­ще­ний серд­ца). Их час­то­ты оп­ре­де­ля­ют­ся как фи­зи­ко-хи­мич. осо­бен­но­стя­ми рит­ми­че­ски ра­бо­таю­щих ор­га­нов, так и по­треб­но­стя­ми ор­га­низ­ма. Так, во вре­мя сна сер­деч­ный ритм че­ло­ве­ка обыч­но со­став­ля­ет от 40 до 90 уда­ров в ми­ну­ту, а при ин­тен­сив­ной фи­зич. ра­бо­те мо­жет воз­рас­тать до 200 и бо­лее уда­ров. Кро­ме то­го, всем жи­вым ор­га­низ­мам свой­ст­вен­ны ко­ле­ба­ния, пе­рио­ды ко­то­рых рав­ны осн. гео­фи­зич. цик­лам, обу­слов­лен­ным вра­ще­ни­ем Зем­ли во­круг собств. оси (су­точ­ный ритм) и во­круг Солн­ца (го­до­вой, или се­зон­ный, ритм). Мн. ви­ды ор­га­низ­мов реа­ги­ру­ют на из­ме­не­ния ноч­ной ос­ве­щён­но­сти, свя­зан­ной с фа­за­ми Лу­ны, а ак­тив­ность оби­та­те­лей мор­ско­го по­бе­ре­жья под­чи­ня­ет­ся так­же рит­мам при­ли­вов и от­ли­вов. Та­кие Б. р. на­зы­ва­ют адап­тив­ны­ми, т. к. они на­прав­ле­ны на ко­ор­ди­на­цию жиз­не­дея­тель­но­сти ор­га­низ­мов при ко­ле­ба­ни­ях абио­ти­че­ских и био­ти­че­ских па­ра­мет­ров сре­ды. Напр., у рас­те­ний рит­мы фо­то­син­те­за не­по­сред­ст­вен­но оп­ре­де­ля­ют­ся че­ре­до­ва­ни­ем свет­ло­го и тём­но­го вре­ме­ни су­ток (фо­то­пе­рио­дом). Ноч­ная ак­тив­ность, ха­рак­тер­ная для мн. ви­дов гры­зу­нов, по­вы­ша­ет ве­ро­ят­ность их вы­жи­ва­ния в ус­ло­ви­ях прес­са хищ­ни­ков. Бла­го­да­ря го­до­вым рит­мам, осо­бен­но зна­чи­мым в ус­ло­ви­ях рез­ко кон­ти­нен­таль­но­го кли­ма­та, рас­те­ния и жи­вот­ные мо­гут за­бла­го­вре­мен­но под­го­то­вить­ся к из­ме­не­нию по­год­ных ус­ло­вий, напр. к зим­не­му по­хо­ло­да­нию. При этом од­ни из них за­ле­га­ют в спяч­ку (сур­ки, сус­ли­ки), у дру­гих уп­лот­ня­ет­ся ме­хо­вой по­кров и уси­ли­ва­ет­ся спо­соб­ность к тер­мо­ге­не­зу (ли­си­цы, бел­ки, хо­мяч­ки и др.), у треть­их про­ис­хо­дит на­ко­п­ле­ние во вне­кле­точ­ной жид­ко­сти ве­ществ, пре­дот­вра­щаю­щих её за­мер­за­ние при ми­ну­со­вых темп-рах (ля­гуш­ки, улит­ки, не­ко­то­рые ви­ды рас­те­ний и др.).

Б. р. не яв­ля­ют­ся про­стым от­ра­же­ни­ем ко­ле­ба­ний ус­ло­вий во внеш­ней сре­де. Рас­те­ния, жи­вот­ные или мик­ро­ор­га­низ­мы, изо­ли­ро­ван­ные от осн. гео­фи­зич. цик­лов («дат­чи­ков вре­ме­ни»), со­хра­ня­ют в те­че­ние дли­тель­но­го вре­ме­ни при­су­щую им рит­мич. ак­тив­ность. Од­на­ко на­блю­дае­мые в ус­ло­ви­ях изо­ля­ции пе­рио­ды сво­бод­но­те­ку­щих рит­мов близ­ки, но не рав­ны внеш­ним цик­лам. Из-за это­го не­сов­па­де­ния Б. р. по­лу­чи­ли назв. «цир­ка­рит­мы» (от лат. circa – око­ло). Со­от­вет­ст­вен­но ко­ле­ба­ния с пе­рио­дом близ­ким к 24 ча­сам на­зы­ва­ют­ся око­ло­су­точ­ны­ми или цир­кад­ны­ми (от лат. dies – день) рит­ма­ми, а с пе­рио­дом близ­ким к 12 ме­ся­цам – око­ло­го­до­вы­ми или цир­кан­ну­аль­ны­ми (от лат. annual – год) рит­ма­ми. Ус­той­чи­вое от­кло­не­ние пе­рио­дов сво­бод­но­те­ку­щих рит­мов от внеш­них цик­лов слу­жит гл. ар­гу­мен­том в поль­зу их эн­до­ген­ной при­ро­ды. С этих по­зи­ций су­точ­ные, го­до­вые (се­зон­ные), лун­ные и при­лив­ные ко­ле­ба­ния функ­ций ор­га­низ­ма рас­смат­ри­ва­ют­ся как ре­зуль­тат син­хро­ни­за­ции био­ло­гич. ча­сов внеш­ни­ми цик­лич. про­цес­са­ми, сре­ди ко­то­рых ве­ду­щую роль иг­ра­ет фо­то­пе­ри­од.

Пе­рио­ды сво­бод­но­те­ку­щих рит­мов мо­гут не сов­па­дать у раз­ных сис­тем ор­га­низ­ма. Так, у лю­дей, изо­ли­ро­ван­ных от внеш­них дат­чи­ков вре­ме­ни, пе­рио­ды ко­ле­ба­ний темп-ры те­ла, вы­ве­де­ния ка­лия и гор­мо­нов ко­ры над­по­чеч­ни­ков с мо­чой в ср. рав­ны 25 ча­сам. В то же вре­мя пе­рио­ды рит­мов сна и бодр­ст­во­ва­ния, вы­ве­де­ния каль­ция и на­трия с мо­чой у ¹/₃ лю­дей мо­гут ли­бо пре­вы­шать 40 ча­сов, ли­бо быть ко­ро­че 20 ча­сов. Это сви­де­тель­ст­ву­ет о спо­соб­но­сти отд. сис­тем ор­га­низ­ма к са­мо­сто­ят. ге­не­ра­ции цик­лов. Пред­став­ле­ния о мно­же­ст­вен­ной ло­ка­ли­за­ции био­ло­гич. ча­сов с цир­кад­ным пе­рио­дом под­кре­п­ле­ны ис­сле­до­ва­ния­ми изо­ли­ро­ван­ных ор­га­нов (над­по­чеч­ни­ки, серд­це, пе­чень и др.), со­хра­няю­щих рит­мич. ак­тив­ность в те­че­ние не­сколь­ких су­ток вне ор­га­низ­ма. Но да­же у од­но­кле­точ­ной во­до­рос­ли Gonialax poliedra пе­рио­ды сво­бод­но­те­ку­щих рит­мов хе­мо­лю­ми­нис­цен­ции и пе­ре­дви­же­ния мо­гут не сов­па­дать друг с дру­гом, т. е. отд. клет­ка так­же об­ла­да­ет не­сколь­ки­ми ча­са­ми.

Рис. 1. Циркадная организация млекопитающих и человека. Центральные биологические часы в супрахиазматических ядрах (СХЯ) гипоталамуса благодаря нервным (вегетативная нервная система, ВНС) и эндокринны. ..

По­ка де­таль­но изу­че­ны лишь ме­ха­низ­мы эн­до­ген­ных око­ло­су­точ­ных рит­мов. Их мо­ле­ку­ляр­но-ге­не­тич. ос­но­ву со­став­ля­ют внут­ри­кле­точ­ные сис­те­мы с от­ри­ца­тель­ной об­рат­ной свя­зью, в ко­то­рых пол­ный цикл – экс­прес­сия спе­циа­ли­зир. ге­нов био­ло­гич. ча­сов (т. н. ча­со­вых ге­нов), по­дав­ле­ние их ак­тив­но­сти соб­ст­вен­ны­ми бел­ко­вы­ми про­дук­та­ми и по­сле­дую­щая де­гра­да­ция бел­ков – за­ни­ма­ет ок. 24 ча­сов. До­пол­ни­тель­ные кон­ту­ры об­рат­ной свя­зи, ре­гу­ли­рую­щие об­ра­зо­ва­ние фак­то­ров транс­крип­ции, даю­щих на­ча­ло сле­дую­ще­му цик­лу, ста­би­ли­зи­ру­ют ра­бо­ту био­ло­гич. ча­сов. Пе­рио­ды сво­бод­но­те­ку­щих рит­мов ос­та­ют­ся не­из­мен­ны­ми в ши­ро­ком диа­па­зо­не тем­пе­ра­тур да­же у од­но­кле­точ­ных ор­га­низ­мов. Так, циа­но­бак­те­рии со­хра­ня­ют ритм об­мен­ных про­цес­сов близ­кий к 25 ча­сам при ва­риа­ци­ях темп-ры от 30 до 60 °C.

На ос­но­ве внут­ри­кле­точ­ных био­ло­гич. ча­сов фор­ми­ру­ют­ся цир­кад­ные рит­мы отд. ор­га­нов мно­го­кле­точ­но­го ор­га­низ­ма. Их рит­мич. ак­тив­ность ко­ор­ди­ни­ру­ет­ся центр. во­ди­те­ля­ми рит­ма. У мле­ко­пи­таю­щих и че­ло­ве­ка роль центр. ча­сов вы­пол­ня­ют суп­ра­хи­аз­ма­ти­че­ские яд­ра (СХЯ) ги­по­та­ла­му­са, ко­то­рые свя­за­ны с ве­ге­та­тив­ны­ми нерв­ны­ми ганг­лия­ми и эпи­фи­зом (рис. 1). Гор­мон эпи­фи­за ме­ла­то­нин син­хро­ни­зи­ру­ет экс­прес­сию ча­со­вых ге­нов в разл. от­де­лах ней­ро­эн­до­крин­ной сис­те­мы и со­вме­ст­но с ней­ро­ме­диа­то­ра­ми и гор­мо­на­ми же­лёз внут­рен­ней сек­ре­ции обес­пе­чи­ва­ет ко­ор­ди­на­цию рит­мич. про­цес­сов, ко­то­рая про­яв­ля­ет­ся в упо­ря­до­чен­ном че­ре­до­ва­нии подъ­ё­мов и спа­дов функ­цио­наль­ной ак­тив­но­сти разл. сис­тем ор­га­низ­ма. Так, пе­ред про­бу­ж­де­ни­ем по­сле сна про­ис­хо­дит всплеск сек­ре­ции гор­мо­нов ко­ры над­по­чеч­ни­ков (кор­ти­зо­ла и кор­ти­ко­сте­ро­на), иг­раю­щих клю­че­вую роль в энер­ге­тич. обес­пе­че­нии фи­зич. ак­тив­но­сти во вре­мя бодр­ст­во­ва­ния, а уве­ли­че­ние сек­ре­ции гор­мо­на рос­та, на­блю­дае­мое в пер­вой по­ло­ви­не сна, сти­му­ли­ру­ет син­тез бел­ков, что не­об­хо­ди­мо для вос­ста­нов­ле­ния ор­га­низ­ма во вре­мя от­ды­ха.

Рис. 2. У полярников в Антарктиде суточные ритмы температуры тела (А) и сила сердечных сокращений (В) реагируют на изменения фотопериода, а ритмы концентрации кортизола в слюне (Б) и частота пульса (Г…

Ход био­ло­гич. ча­сов на­страи­ва­ет­ся внеш­ни­ми цик­лич. про­цес­са­ми и, пре­ж­де все­го, фо­то­пе­рио­дом. У мле­ко­пи­таю­щих, вклю­чая че­ло­ве­ка, в фо­то­пе­рио­дич. син­хро­ни­за­ции Б. р. уча­ст­ву­ют зри­тель­ные ре­цеп­то­ры, реа­ги­рую­щие на ос­ве­щён­ность. Сиг­на­лы от них пе­ре­да­ют­ся к СХЯ ги­по­та­ла­му­са и да­лее к эпи­фи­зу. Свет по­дав­ля­ет сек­ре­цию ме­ла­то­ни­на, ко­то­рый вы­де­ля­ет­ся эпи­фи­зом ис­клю­чи­тель­но в ноч­ные ча­сы, не­за­ви­си­мо от то­го, к ка­ко­му вре­ме­ни су­ток при­уро­че­ны сон или бодр­ст­во­ва­ние кон­крет­но­го ви­да жи­вот­ных. Бла­го­да­ря влия­нию на экс­прес­сию ге­нов био­ло­гич. ча­сов ме­ла­то­нин с оди­на­ко­вым ус­пе­хом син­хро­ни­зи­ру­ет цир­кад­ные рит­мы ноч­ных жи­вот­ных (мы­ши, кры­сы), у ко­то­рых ве­чер­ний подъ­ём ак­тив­но­сти сов­па­да­ет с по­вы­ше­ни­ем кон­цен­тра­ции гор­мо­на, и рит­мы днев­ных ви­дов (лю­ди, обезь­я­ны), у ко­то­рых ак­тив­ность по­вы­ша­ет­ся ут­ром при сни­же­нии его уров­ня.

Ме­ла­то­нин ис­поль­зу­ет­ся по­зво­ноч­ны­ми жи­вот­ны­ми и для син­хро­ни­за­ции цир­кан­ну­аль­ных рит­мов жиз­не­дея­тель­но­сти, по­сколь­ку из все­го мно­го­об­ра­зия се­зон­ных фе­но­ме­нов имен­но из­ме­не­ния фо­то­пе­рио­да яв­ля­ют­ся наи­бо­лее на­дёж­ным ин­ди­ка­то­ром вре­ме­ни го­да. При этом не столь­ко ко­ли­че­ст­во ме­ла­то­ни­на, сколь­ко про­дол­жи­тель­ность его ноч­ной сек­ре­ции оп­ре­де­ля­ют се­зон­ные мор­фо­фи­зио­ло­гич. пре­об­ра­зо­ва­ния, ха­рак­тер ко­то­рых, в свою оче­редь, оп­ре­де­ля­ет­ся об­ра­зом жиз­ни, свой­ст­вен­ным оп­ре­де­лён­но­му ви­ду. Напр., осен­нее уве­ли­че­ние ноч­ной ак­тив­но­сти эпи­фи­за сти­му­ли­ру­ет ге­не­ра­тив­ную функ­цию у ко­пыт­ных, но по­дав­ля­ет её у гры­зу­нов.

На­ря­ду с фо­то­пе­рио­дом в син­хро­ни­за­ции су­точ­ных рит­мов уча­ст­ву­ют и др. пе­рио­дич. про­цес­сы, напр. у мле­ко­пи­таю­щих на­ру­ше­ние рит­мов ак­тив­но­сти, вы­зван­ное раз­ру­ше­ни­ем СХЯ, вос­ста­нав­ли­ва­ет­ся при пе­рио­дич. приё­ме пи­щи. Био­ло­гич. ча­сы, ко­ор­ди­ни­рую­щие ра­бо­ту раз­ных ор­га­нов, от­ли­ча­ют­ся по спо­соб­но­сти к вос­при­ятию син­хро­ни­зи­рую­ще­го влия­ния внеш­них «дат­чи­ков вре­ме­ни» разл. при­ро­ды. В ре­зуль­та­те это­го цир­кад­ная ор­га­ни­за­ция фи­зио­ло­гич. про­цес­сов су­ще­ст­вен­но ме­ня­ет­ся при бы­ст­ром пе­ре­ме­ще­нии в но­вый ча­со­вой по­яс, при смен­ной ра­бо­те, при се­зон­ных из­ме­не­ни­ях фо­то­пе­рио­да, что осо­бен­но важ­но для жи­те­лей по­ляр­ных рай­онов (рис. 2). На­блю­дае­мые при этом от­кло­не­ния в по­сле­до­ва­тель­но­сти подъ­ё­мов и спа­дов Б. р. разл. сис­тем ор­га­низ­ма (де­син­хро­ноз) от­ри­ца­тель­но ска­зы­ва­ют­ся на ра­бо­то­спо­соб­но­сти и со­про­тив­ляе­мо­сти ор­га­низ­ма не­га­тив­но­му влия­нию разл. па­то­ген­ных фак­то­ров. Нау­ка, изу­чаю­щая Б. р., – био­рит­мо­ло­гия, или хро­но­био­ло­гия.

Что такое биологические ритмы? | SRBR: Общество исследования биологических ритмов

Навигация

Биологические ритмы повсюду. Ежедневные изменения сна и бодрствования, ежегодная миграция птиц и приливно-отливные колебания в поведении прибрежных животных — все это примеры биологических ритмов. Область хронобиологии изучает эти ритмы в живых организмах и то, как они настраиваются сигналами из внешнего мира.

Циркадные ритмы (ритмы, которые повторяются примерно каждые 24 часа) являются наиболее известными биологическими ритмами. Циркадные ритмы влияют не только на сон и бодрствование, но и на многие другие функции организма, такие как температура тела, секреция гормонов, обмен веществ и функции органов. Эти ритмы позволяют организмам предвидеть и приспосабливаться к циклическим изменениям окружающей среды, которые вызваны суточным вращением Земли вокруг своей оси.

У людей и других млекопитающих циркадные ритмы в организме синхронизируются с окружающей средой главными часами, расположенными в супрахиазматических ядрах (СХЯ), крошечной области мозга, расположенной прямо над местом пересечения зрительных нервов. СХЯ получает информацию о свете и темноте непосредственно от глаз, интегрирует эту информацию и передает ее клеточным циркадным часам, расположенным по всему телу. Таким образом, циркадные ритмы в поведении и физиологии синхронизируются с внешним циклом свет-темнота.

Хотя циркадные ритмы требуют входных данных (например, света) из окружающей среды для синхронизации с 24-часовым днем, ключевой особенностью этих ритмов является то, что они являются самоподдерживающимися, что означает, что они продолжают цикл с периодом примерно 24 часа. при отсутствии каких-либо подсказок из окружающей среды. Таким образом, даже в постоянной темноте в контролируемых лабораторных условиях многие функции организма продолжают демонстрировать приблизительно 24-часовой ритм. У людей внутренний циркадный период составляет в среднем 24,2 часа, в диапазоне от 23,5 до 24,6 часов у здорового населения. Эта вариация циркадного периода объясняет, почему одни люди — ранние пташки, а другие — ночные совы.

На молекулярном уровне циркадные ритмы генерируются механизмом обратной связи, включающим циклические изменения экспрессии определенных генов. Белки, кодируемые двумя из этих генов, называемыми CLOCK и BMAL1, включают активность других генов, называемых Per и Cry. В свою очередь, белки PER и CRY подавляют активность белков CLOCK и BMAL1, создавая повторяющуюся петлю включения и выключения генов, которая повторяется примерно каждые 24 часа. Этот механизм молекулярной обратной связи присутствует практически в каждой клетке организма — от клеток печени до клеток кожи. В конечном счете, он управляет циркадными ритмами клеточных процессов, метаболизма, физиологии и поведения, обеспечивая выполнение всех этих функций в нужном месте в нужное время суток.

Нарушение циркадных часов может привести к проблемам со здоровьем. Это происходит, например, во время работы в ночную смену или смены часовых поясов, когда существует несоответствие между воздействием света, приемом пищи и другими сигналами из внешней среды и синхронизацией циркадных ритмов в организме. В долгосрочной перспективе повторная потеря координации между циркадными ритмами и сигналами окружающей среды может увеличить риск ряда заболеваний, таких как диабет, болезни сердца и некоторые виды рака. Настройка внутренних часов может быть ключом к здоровью и благополучию.

Регуляция циркадных ритмов у других организмов, от цианобактерий до грибов и от растений до насекомых, подчиняется одним и тем же общим принципам. Действительно, именно открытие механизма молекулярной обратной связи у плодовых мушек привело к присуждению Нобелевской премии по физиологии и медицине в 2017 году. Растения могут использовать свои циркадные часы, чтобы синхронизировать цветы с правильным временем года.

Дальнейшее чтение:

NIGMS — Информационный бюллетень NIH
Национальный фонд сна
Студия BioClock — Введение в хронобиологию

Развитие циркадных ритмов: от животных к человеку

1. Panda S, Hogenesch JB, Kay SA. Циркадные ритмы от мух до человека. Природа. 2002; 417 (6886): 329–35. [PubMed] [Google Scholar]

2. Ko CH, Takahashi JS. Молекулярные компоненты циркадных часов млекопитающих. Хум Мол Жене. 2006; 15 (2): R271–7. [PubMed] [Google Scholar]

3. Maywood ES, O’Neill J, Wong GK, Reddy AB, Hastings MH. Циркадный ритм здоровья и болезней. Прог Мозг Res. 2006; 153: 253–69.. [PubMed] [Google Scholar]

4. Moore-Ede MC, Czeisler CA, Richardson GS. Циркадный хронометраж здоровья и болезней. Часть 1. Основные свойства циркадных кардиостимуляторов. NEnglJMed. 1983;309(8):469–76. [PubMed] [Google Scholar]

5. Moore-Ede MC, Czeisler CA, Richardson GS. Циркадный хронометраж здоровья и болезней. Часть 2. Клинические проявления циркадной ритмичности. NEnglJMed. 1983;309(9):530–6. [PubMed] [Google Scholar]

6. Арендт Дж. Мелатонин и ритмы человека. Хронобиол Инт. 2006;23(12):21–37. [PubMed] [Академия Google]

7. Тофлер Г.Х., Мюллер Дж.Э. Запуск острого сердечно-сосудистого заболевания и потенциальные профилактические стратегии. Тираж. 2006; 114 (17): 1863–72. [PubMed] [Google Scholar]

8. Weaver DR. Супрахиазматическое ядро: 25-летняя ретроспектива. J Биол Ритмы. 1998;13(2):100–12. [PubMed] [Google Scholar]

9. Эбисава Т. Циркадные ритмы в ЦНС и расстройства периферических часов: расстройства сна человека и гены часов. J Pharmacol Sci. 2007 [PubMed] [Академия Google]

10. Maemura K, Takeda N, Nagai R. Циркадные ритмы в ЦНС и нарушениях периферических часов: роль биологических часов в сердечно-сосудистых заболеваниях. J Pharmacol Sci. 2007 [PubMed] [Google Scholar]

11. Одо С. Циркадные ритмы в ЦНС и расстройства периферических часов: хронофармакологические данные о противоопухолевых препаратах. J Pharmacol Sci. 2007 [PubMed] [Google Scholar]

12. Welsh DK, Logothetis DE, Meister M, Reppert SM. Отдельные нейроны, диссоциированные от супрахиазматического ядра крысы, экспрессируют независимо фазированные циркадные ритмы возбуждения. Нейрон. 1995;14(4):697–706. [PubMed] [Google Scholar]

13. Liu C, Weaver DR, Strogatz SH, Reppert SM. Клеточная конструкция циркадных часов: определение периода в супрахиазматических ядрах. Клетка. 1997;91(6):855–60. [PubMed] [Google Scholar]

14. Morin LP. Циркадная зрительная система. Мозг ResBrain ResRev. 1994;19(1):102–27. [PubMed] [Google Scholar]

15. Morin LP, Allen CN. Циркадная зрительная система, 2005 г. Res Brain Res Rev. 2006; 51(1):1–60. [PubMed] [Академия Google]

16. Корнхаузер Дж.М., Майо К.Е., Такахаши Дж.С. Легкие, ранние гены и циркадные ритмы. Поведение Жене. 1996;26(3):221–40. [PubMed] [Google Scholar]

17. Watts AG, Swanson LW, Sanchez-Watts G. Эфферентные проекции супрахиазматического ядра: I. Исследования с использованием антероградного транспорта лейкоагглютинина Phaseolus vulgaris у крыс. JCompNeurol. 1987;258(2):204–29. [PubMed] [Google Scholar]

18. Watts AG, Swanson LW. Эфферентные проекции супрахиазматического ядра: II. Исследования с использованием ретроградного транспорта флуоресцентных красителей и одновременной иммуногистохимии пептидов у крыс. JCompNeurol. 1987;258(2):230–52. [PubMed] [Google Scholar]

19. Мур Р.Ю. Организация циркадной системы приматов. JBiolRhythms. 1993; 8 (прил.): S3–9. С3–9. [PubMed] [Google Scholar]

20. Lydic R, Schoene WC, Czeisler CA, Moore-Ede MC. Супрахиазматическая область гипоталамуса человека: гомолог циркадного водителя ритма приматов? Спать. 1980;2(3):355–61. [PubMed] [Google Scholar]

21. Lydic R, Albers HE, Tepper B, Moore-Ede MC. Трехмерная структура супрахиазматических ядер млекопитающих: сравнительное исследование пяти видов. JCompNeurol. 1982;204(3):225–37. [PubMed] [Google Scholar]

22. Лушингтон К., Галка Р., Сасси Л.Н., Кеннауэй Д.Дж., Доусон Д. Экстраокулярное воздействие света не сдвигает по фазе ритмы мелатонина слюны у спящих субъектов. J Биол Ритмы. 2002;17(4):377–86. [PubMed] [Google Scholar]

23. Schwartz WJ, Reppert SM, Eagan SM, Moore-Ede MC. Метаболическая активность супрахиазматических ядер in vivo: сравнительное исследование. Мозг Res. 1983; 274(1):184–7. [PubMed] [Google Scholar]

24. Ривкис С.А., Хофман П.Л., Фортман Дж. Новорожденные приматы увлекаются освещением низкой интенсивности. ProcNatlAcadSciUSA. 1997;94(1):292–7. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar]

25. Reppert SM, Perlow MJ, Ungerleider LG, et al. Влияние повреждения супрахиазматической области переднего гипоталамуса на суточные ритмы мелатонина и кортизола у макак-резусов. Дж. Нейроски. 1981; 1(12):1414–25. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar]

26. Edgar DM, Dement WC, Fuller CA. Влияние поражений СХЯ на сон у беличьих обезьян: свидетельство противоположных процессов в регуляции сна и бодрствования. Дж. Нейроски. 1993;13(3):1065–79. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar]

27. Schwartz WJ, Busis NA, Hedley-Whyte ET. Дискретное поражение вентрального гипоталамуса и перекреста зрительных нервов, нарушающее суточный температурный ритм. JNeurol. 1986; 233(1):1–4. [PubMed] [Google Scholar]

28. Rivkees S. Аритмичность у ребенка с септооптической дисплазией и установление цикличности сна-бодрствования мелатонином. J Педиатрия. 2001; 139: 463–5. [PubMed] [Google Scholar]

29. Фридман Д.И., Джонсон Дж.К., Чорский Р.Л., Стопа Э.Г. Мечение ретино-гипоталамического тракта человека карбоцианиновым красителем DiI. Мозг Res. 1991;560(12):297–302. [PubMed] [Google Scholar]

30. Садун А.А., Шехтер Д.Д., Смит Л.Е. Ретино-гипоталамический путь у человека: световое опосредование циркадианных ритмов. Мозг Res. 1984;302(2):371–377. [PubMed] [Google Scholar]

31. Кэмпбелл С.С., Мерфи П.Дж. Экстраокулярная циркадианная фототрансдукция у человека. Наука. 1998;279(5349):396–9. [PubMed] [Google Scholar]

32. Hebert M, Martin SK, Eastman CI. Ночная секреция мелатонина не подавляется световым облучением за коленом у людей. Нейроски Летт. 1999;274(2):127–30. [PubMed] [Google Scholar]

33. Фостер Р.Г. Пролить свет на биологические часы. Нейрон. 1998;20(5):829–32. [PubMed] [Google Scholar]

34. Жан-Луи Г., Крипке Д.Ф., Коул Р.Дж., Эллиот Дж.А. Нет подавления мелатонина при освещении подколенных ямок или век. J Биол Ритмы. 2000;15(3):265–9. [PubMed] [Google Scholar]

35. Weitzman ED, Czeisler CA, Zimmerman JC, Moore-Ede MC. Биологические ритмы у человека: взаимосвязь сна и бодрствования, кортизола, гормона роста и температуры во время временной изоляции. Adv Biochem Psychopharmacol. 1981;28:475–99. [PubMed] [Google Scholar]

36. Czeisler CA, Klerman EB. Циркадная и зависимая от сна регуляция высвобождения гормонов у человека. Недавние прог.горм.разр. 1999; 54: 97–130. [PubMed] [Google Scholar]

37. Reppert SM, Weaver DR, Rivkees SA. Материнская связь циркадной фазы с развивающимся млекопитающим. Психонейроэндокринология. 1988;13(12):63–78. [PubMed] [Google Scholar]

38. Репперт С.М. Взаимодействие циркадных часов матери и плода. CibaFoundSymp. 1995;183:198–207. обсудить:198-207; обсуждение — [PubMed] [Google Scholar]

39. van Eerdenburg FJ, Rakic ​​P. Ранний нейрогенез в переднем гипоталамусе макаки-резус. Мозг ResDevBrain Res. 1994;79(2):290–6. [PubMed] [Google Scholar]

40. Nowell-Morris L, Faherenbruch CE. Практические и эволюционные соображения по использованию модели нечеловеческих приматов в пренатальных исследованиях. Нью-Йорк: Алан Р. Лисс; 1985. [Google Scholar]

41. Reppert SM, Weaver DR, Rivkees SA, Stopa EG. Предполагаемые рецепторы мелатонина в биологических часах человека. Наука. 1988;242(4875):78–81. [PubMed] [Google Scholar]

42. Rivkees SA, Lachowicz JE. Функциональные дофаминовые рецепторы D1 и D5 экспрессируются в супрахиазматических, супраоптических и паравентрикулярных ядрах приматов. Синапс. 1997;26(1):1–10. [PubMed] [Google Scholar]

43. Reppert SM, Schwartz WJ. Функциональная активность супрахиазматических ядер у плода примата. NeurosciLett. 1984;46(2):145–9. [PubMed] [Google Scholar]

44. Джолли А. Час рождения у приматов и человека. Фолиа Приматол. 1972;18(1):108–21. [PubMed] [Google Scholar]

45. Swaab DF. Развитие гипоталамуса человека. Нейрохим Рез. 1995;20(5):509–19. [PubMed] [Google Scholar]

46. Glotzbach SF, Sollars P, Pagano M. Развитие ретино-гипоталамического тракта человека. Соц Неврологии. 1992;18:857. [Google Scholar]

47. Rivkees SA, Hao H. Развитие циркадной ритмичности. Семин Перинатол. 2000;24(4):232–42. [PubMed] [Google Scholar]

48. Boivin DB, Duffy JF, Kronauer RE, Czeisler CA. Зависимость доза-реакция для сброса циркадных часов человека светом. Природа. 1996;379(6565):540–2. [PubMed] [Google Scholar]

49. Shanahan TL, Czeisler CA. Физиологическое воздействие света на циркадный водитель ритма человека. Семин Перинатол. 2000;24(4):299–320. [PubMed] [Google Scholar]

50. Hao H, Rivkees SA. Биологические часы очень недоношенных детенышей приматов реагируют на свет. Proc Natl Acad Sci U S A. 1999;96(5):2426–9. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar]

51. Seron-Ferre M, Ducsay CA, Valenzuela GJ. Циркадные ритмы во время беременности. EndocrRev. 1993;14(5):594–609. [PubMed] [Google Scholar]

52. Серон-Ферре М., Торрес-Фарфан С. , Форселледо М.Л., Валенсуэла Г.Дж. Развитие циркадных ритмов у плода и новорожденного. Семин Перинатол. 2001;25(6):363–70. [PubMed] [Google Scholar]

53. Parmelee AH, Jr Циклы сна у младенцев. DevMedChild Нейрол. 1969; 11 (6): 794–5. [PubMed] [Google Scholar]

54. Meier-Koll A, Hall U, Hellwig U, Kott G, Meier-Koll V. Система биологических осцилляторов и развитие поведения сна и бодрствования в раннем младенчестве. Хронобиология. 1978;5(4):425–40. [PubMed] [Google Scholar]

55. Kleitman J, Engelman Характеристики сна младенцев. J Appl Физиолол. 1953; 6: 127–34. [Google Scholar]

56. Дарналл Р.А., Арианьо Р.Л., Кинни Х.К. Поздний недоношенный ребенок и контроль дыхания, сна и развития ствола мозга: обзор. Клин Перинатол. 2006;33(4):883–914. абстракция х. [PubMed] [Google Scholar]

57. Дженни О.Г., Дебур Т., Акерманн П. Развитие 24-часового режима покоя-активности у младенцев. Младенец Поведение Дев. 2006;29(2): 143–52. [PubMed] [Google Scholar]

58. McKay SM, Angulo-Barroso RM. Продольная оценка двигательной активности ног и характера сна у младенцев с синдромом Дауна и без него. Младенец Поведение Дев. 2006;29(2):153–68. [PubMed] [Google Scholar]

59. Kennaway DJ, Stamp GE, Goble FC. Развитие выработки мелатонина у младенцев и влияние недоношенности. JClinEndocrinolMetab. 1992;75(2):367–9. [PubMed] [Google Scholar]

60. Kennaway DJ, Goble FC, Stamp GE. Факторы, влияющие на развитие ритмичности мелатонина у человека. JClinEndocrinolMetab. 1996;81(4):1525–32. [PubMed] [Google Scholar]

61. Beitins IZ, Kowarski A, Migeon CJ, Graham GG. Функция надпочечников у нормальных детей, а также при маразме и квашиоркоре. Секреция кортизола, суточные колебания уровня кортизола в плазме и экскреция с мочой 17-гидроксикортикоидов, свободных кортикоидов и кортизола. J Педиатр. 1975; 86 (2): 302–8. [PubMed] [Google Scholar]

62. Onishi S, Miyazawa G, Nishimura Y, et al. Постнатальное развитие циркадных ритмов уровня кортизола в сыворотке крови у детей. Педиатрия. 1983;72(3):399–404. [PubMed] [Google Scholar]

63. Price DA, Close GC, Fielding BA. Возраст появления циркадного ритма в значениях кортизола слюны в младенчестве. ArchDisChild. 1983; 58 (6): 454–6. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar]

64. Hellbrugge T, Lange JE, Rutenfranz J. Суточная периодичность физиологических функций на разных этапах младенчества и детства. Энн NY Acad Sci. 1964; 117: 361–73. [PubMed] [Google Scholar]

65. Parmelee AH, Jr, Wenner WH, Akiyama Y, Schultz M, Stern E. Состояния сна у недоношенных детей. DevMedChild Нейрол. 1967;9(1):70–7. [PubMed] [Google Scholar]

66. Rivkees SA. Развитие циркадных ритмов. Основные и клинические аспекты. PediatrClinNorth Am. 1997;44(2):467–87. [PubMed] [Google Scholar]

67. Д’Суза С.В., Тенрейро С., Минорс Д., Чизвик М.Л., Симс Д.Г., Уотерхаус Дж. Температура кожи и ритмы сердечного ритма у глубоко недоношенных детей. ArchDisChild. 1992;67(7):784–8. [PMC free article] [PubMed] [Google Scholar]

68. Андерс Т.Ф., Кинер М.А., Кремер Х. Организация состояния сна-бодрствования, неонатальная оценка и развитие недоношенных детей в течение первого года жизни. II. Спать. 1985;8(3):193–206. [PubMed] [Google Scholar]

69. Glotzbach SF, Edgar DM, Boeddiker M, Ariagno RL. Биологическая ритмичность у нормальных детей первых 3 мес жизни. Педиатрия. 1994; 94 (4 части 1): 482–8. [PubMed] [Google Scholar]

70. Glotzbach SF, Edgar DM, Ariagno RL. Биологическая ритмичность у недоношенных детей до выписки из реанимации новорожденных. Педиатрия. 1995;95(2):231–237. [PubMed] [Google Scholar]

71. Rivkees SA, Mayes L, Jacobs H, Gross I. Режим покоя и активности недоношенных детей регулируется циклическим освещением. Педиатрия. 2004; 113 в печати. [PubMed] [Академия Google]

72. Мирмиран М., Арианьо Р.Л. Влияние света в отделении интенсивной терапии новорожденных на развитие циркадных ритмов у недоношенных детей. Семин Перинатол. 2000;24(4):247–57. [PubMed] [Google Scholar]

73. Манн Н.П., Хэддоу Р., Стоукс Л., Гудли С., Раттер Н. Влияние дня и ночи на недоношенных детей в отделении для новорожденных: рандомизированное исследование. Br Med J (Clin Res Ed) 1986;293(6557):1265–7. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar]

74. Brandon DH, Holditch-Davis D, Belyea M. Недоношенные дети, рожденные на сроке менее 31 недели беременности, лучше растут при циклическом освещении по сравнению с постоянным полумраком. J Педиатр. 2002;140(2):192–9. [PubMed] [Google Scholar]

75. Мирмиран М., Лунсхоф С. Перинатальное развитие циркадных ритмов человека. ProgBrain Res. 1996; 111: 217–26. 217–26. [PubMed] [Google Scholar]

76. McGraw K, Hoffmann R, Harker C, Herman JH. Развитие циркадных ритмов у младенцев. Спать. 1999;22(3):303–10. [PubMed] [Google Scholar]

77. Арианьо Р.Л., Мирмиран М. Проливая свет на младенцев с очень низкой массой тела при рождении. J Педиатр. 2001;139(4):476–7. [PubMed] [Академия Google]

78. Гласс П., Эйвери Г. Б., Субраманиан К.Н., Киз М.П., ​​Состек А.М., Френдли Д.С. Влияние яркого света в родильном доме на заболеваемость ретинопатией недоношенных. NEnglJMed. 1985;313(7):401–4. [PubMed] [Google Scholar]

79. Fielder AR, Moseley MJ. Окружающий свет и недоношенный ребенок. Семин Перинатол. 2000;24(4):291–8. [PubMed] [Google Scholar]

80. Reynolds JD, Hardy RJ, Kennedy KA, Spencer R, van Heuven WA, Fielder AR. Недостаточная эффективность снижения освещенности в профилактике ретинопатии недоношенных. Кооперативная группа по уменьшению света при ретинопатии недоношенных (LIGHT-ROP). NEnglJMed. 1998;338(22):1572–156. [PubMed] [Google Scholar]

81. Кеннеди К.А., Филдер А.Р., Харди Р.Дж., Танг Б., Гордон Д.К., Рейнольдс Д.Д. Уменьшенное освещение не улучшает медицинские результаты у младенцев с очень низкой массой тела при рождении. J Педиатр. 2001;139(4):527–31. [PubMed] [Google Scholar]

82. Элс Х., Лоухон Дж., Даффи Ф.Х., Маканулти ГБ, Гибс-Гроссман Р., Бликман Дж.