что такое ритмичность в биологии
Биологические ритмы человека
Биологические ритмы в живой природе
Каждую весну распускается зеленая листва, каждую зиму выпадает снег. С восходом солнца растения раскрывают свои цветы, первый луч падает на зеленый лист и запускает процессы фотосинтеза. Перелетные птицы осенью собираются в теплые края, белка запасает спелые орехи, а медведь и еж ищут укрытие поудобнее, чтобы пережить неблагоприятное холодное и голодное зимнее время.
Изучая поведение животных в природе, внимательный наблюдатель замечает, что птицы начинают готовиться к перелету с первыми признаками приближающейся осени. Хозяин таежных лесов медведь начинает искать место для спячки еще до того, как ударят первые морозы и снегопады заметут лесные тропы.
И горе тому животному, которое не успеет до холодов. Без помощи человека оно обречено на гибель, как Серая шейка в одноименной детской сказке. Медведь, поднятый среди зимы из берлоги, получает прозвище медведь-шатун. Злой, голодный, ходит по лесу, нагоняя страх на охотников, но и он обречен на мучительную гибель от голода. Мясом такого погибшего зверя брезгуют даже падальщики.
Можно заметить, что еще до появления первых признаков смены сезона, поведение животных меняется. И это не зря. Таким образом природа позволяет живым организмам заблаговременно подготовиться к грядущим переменам в природе и предупредить стресс, связанный с перестройкой сложных биохимических процессов и физиологических функций во время действия неблагоприятного фактора с помощью биологических ритмов организма.
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.
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.
Хронобиология
Исследование ритмических колебаний биохимических и физиологических процессов в живых организмах в зависимости от суточных, годовых, либо лунных циклов продолжаются со Средневековья до наших дней. Прорывом в исследованиях стали опыты Е.А. Форсгрена, шведского физиолога, который в уникальных опытах на лабораторных кроликах выявил суточные колебания в клетках печени уровня гликогена — сложного полисахарида, участвующего в энергетическом обмене.
Лишь в 1960 году на симпозиуме в Cold Spring Harbor Laboratory, после того, как доклады исследователей, представляющих различные отрасли науки, были заслушаны, выяснилось, что ученые из разных областей физиологии, биологии, генетики, биохимии описывали одни и те же феномены, связанные с изменением активности процессов во времени, и приняли решение выделить хронобиологию как отдельную науку.
Исследование биохимических процессов продолжается. В настоящее время ученые выделяют около 300 различных биохимических и физиологических процессов в организме человека, активность которых изменяется на протяжении времени и регулярно чередуется, имея свои минимумы и максимумы значений.
Классификация биоритмов
Согласно классификации советских ученых-медиков Н.И. Моисеевой и В.Н. Сысуева (1961), в зависимости от периода — промежутка времени между двумя максимальными или минимальными значениями — биологические ритмы делятся на:
Высокочастотные ритмы длятся от миллисекунды до получаса. К этой категории относятся сердечные сокращения, дыхательные движения, волны перистальтики в кишечнике. Медицинская аппаратура позволяет зафиксировать ритмы и получить сведения о функции различных систем человеческого организма. Электроэнцефалография регистрирует периодическую активность головного мозга, электромиография — мышечную активность, электрокардиография — сердечные сокращения, и данные используются не только в научных целях, но и для диагностики патологии.
К среднечастотным относятся биоритмы с продолжительностью от 30 минут до 6 дней. В эту группу входят циркадианные или циркадные (суточные) ритмы: повышение температуры тела к восемнадцати часам и снижение до минимума к полуночи, цикл «сон-бодрствование», о котором подробно рассказано на странице 22 учебника «Биология 10 класс» под редакцией В.И.Сивоглазова. Изменения некоторых показателей можно зафиксировать при суточном исследовании — холтеровском мониторировании ЭКГ или артериального давления. И такие исследования широко применяются в медицине для подбора необходимого лечения.
В группу низкочастотных ритмов относят колебания с периодичностью от 28 часов до десятилетий. В данный раздел входят менструальный цикл у женщин, а также годовые ритмы. Так, зимой по сравнению с летом, снижается в крови содержание сахара, увеличивается количество АТФ и холестерина.
Ранее считали, что как таковых, недельных ритмов у живых организмов нет, а деление на недели пошло от чередований фаз луны еще со времен Древнего Вавилона. И только в последнее время, когда биохимия сделала гигантский шаг вперед, и появилась возможность определить концентрацию биологически активных веществ не только в крови, но и в моче, ученые выявили колебания гормональных показателей, выделяемых надпочечниками, с примерным семидневным циклом.
В ходе астрономических наблюдений установлено, что за время оборота Солнца вокруг своей оси, который составляет двадцать семь суток, регистрируются различные значения магнитного поля между планетами Солнечной системы. Положение Земли изменяется с периодичностью в 6,75 суток. Планета оказывается в разнообразных секторах солнечного магнитного поля, что вызывает изменения планетарного геомагнитного поля, которое влияет на климатические условия, а также жизнедеятельность живых организмов.
В последние десятилетия ритмы современной жизни с ночными клубами, предприятиями, работающими круглосуточно, путешествиями на другую сторону земного шара значительно влияют на биологические ритмы человека. Учитывая влияние социальной жизни на физиологию человека, выделяют:
Физиологические биоритмы — непрекращающаяся работа биохимических процессов в каждой клетке организма, для обеспечения чередования циклов вдоха-выдоха, непрерывного сокращения сердца, для бесперебойной работы системы кровообращения и других систем. Они обеспечивают жизнедеятельность организма независимо от условий среды обитания. Способность физиологических ритмов к изменениям обеспечивает адаптационный резерв человека к существованию в экстремальных условиях от архипелагов Арктики до жаркой пустыни Каракум.
Вращение Луны вокруг нашей голубой планеты, и Земли вокруг Солнца приводит к смене сезонов года в окружающей природе и формированию геофизических биоритмов, которые обеспечивают перестройку физиологических биоритмов под сезонные климатические изменения.
Социальные биоритмы формируются под влиянием условий жизни, принятых в обществе, где человек обитает: сменная работа, чередование труда и пассивного отдыха, активная клубная жизнь у молодежи или приверженность ЗОЖ. Через некоторое время стабильных чередований физических нагрузок, труда и отдыха у человека формируются автоматические колебания, близкие к его обычному циклу труд-отдых. Наличие социальных биоритмов подтверждает высокую способность человека адаптироваться к окружающей его среде.
Подводя итоги, отметим, что к сегодняшнему дню хронобиология достигла определенных успехов и позволила сделать ряд выводов, касающихся живой природы:
Исследования биоритмов не прекращаются, и в 2017 году группа ученых из США получили Нобелевскую премию за открытие молекулярных механизмов, управляющих циркадными ритмами.
Адаптивные биологические ритмы и характеристика основных биологических ритмов
Важное свойство, которым обладает географическая оболочка нашей планеты — ритмичность. Что такое ритмичность в биологии?
Понятие адаптивных биологических ритмов
Ритмичность в биологии — это процесс повторения явлений в определенное время.
Будучи одной из составляющих географической оболочки, биосфера также подвержена ритмичности. Жизнедеятельность организмов на планете во многом зависит от движения тел Солнечной системы, изменений температуры, влажности и освещенности. На все эти изменения живые организмы реагируют.
На случай периодических изменений интенсивности экологических факторов у организмов есть специальные приспособленческие реакции — это адаптивные биологические ритмы.
Адаптивные биологические ритмы в зависимости от длительности причин возникновения делятся на:
Такое явление как «биологические часы» непосредственно связано с биологическими адаптивными ритмами.
Биологические часы — способность живых организмов выдавать реакцию на течение времени.
С помощью этого явления живые организмы могут согласовывать свои физиологические ритмы с изменениями, происходящими в окружающей среде.
Характеристика биологических ритмов
Рассмотрим подробнее каждый из вариантов биологических ритмов.
Суточные ритмы
Планета Земля вращается вокруг своей оси — полный оборот она совершает за 24 часа. В результате, в течение суток два раза меняется освещенность, которая становится причиной температурных колебаний, изменения влажности и атмосферного давления. Все это непосредственно влияет на активность живых организмов.
Солнечный свет очень важен для жизнедеятельности: он задает периодичность процессов фотосинтеза, транспирации, времени, когда будут раскрываться и закрываться цветки у растений. Животных изменения освещенности тоже затрагивают: смена дня и ночи влияет на особенности их физиологических процессов. Отсюда условное деление всех животных на ночных и дневных.
Однако в случае изменения условий среды, меняется и суточная активность живых организмов.
В жарких пустынях, когда температура днем достигает максимума, а влажность — минимума, дневные животные проявляют свою активность ночью.
Суточные ритмы связаны и с человеком, который также является частью природы. Интенсивность более ста его жизненных функций определяется временем суток.
Приливно-отливные ритмы
Приливно-отливные ритмы — результат взаимодействий Земли и Луны. Наиболее полно и явно они наблюдаются у обитателей прибрежных участков Мирового океана (такие участки называются литорали).
В течение лунных суток — они длятся 24 часа и 50 минут — прилив и отлив происходят по два раза. Такая смена природных условий заставляет организмы к ней приспосабливаться. Каждый организм приспосабливается по-своему:
Приливно-отливные ритмы определяют размножение рыб атерин-грунион. Нерест осуществляется только тогда, когда Луна находится в определенной фазе.
Сезонные ритмы
Сезонные ритмы — результат вращения Земли вокруг Солнца. Это вращение приводит к изменению климата на планете. Сезонные ритмы определяют такие процессы как размножение, развитие, жизненные циклы, линька, спячка, миграция, состояние покоя и период вегетации у растений, а также многое другое.
Многолетние циклы
Многолетние циклы — результат изменения солнечной активности и взаимодействия небесных тел Солнечной системы.
Массовое размножение перелетной саранчи в отдельные годы — яркий пример многолетних циклов.
Также пример многолетних циклов — периодическое отклонение холодного перуанского течения у берегов Южной Америки. Это явление называется Эль-Ниньо, и происходит оно раз в 11-12 лет.
Фотопериодизм
Длительность светового дня — важное условие существования и жизни всех организмов, а также самый стабильный экологический фактор.
Фотопериодизм — комплекс наследственных реакций живого организма на то, как изменяется световой период суток.
Это свойство встречается у всех организмов. Однако наиболее ярко проявляется у тех, что живут в условиях, когда сезонные изменения среды происходят резко.
Изменение длительности светового дня у растений проявляется тем, что они меняют интенсивность синтеза фитогормонов. За счет этого регулируется рост и развитие растения.
Фотопериодизм очень ярко проявляется у перелетных птиц: сокращение светового дня является сигналом для миграции.
Что такое биоритмы: причины появления, виды и суточные биоритмы человека
Что собой представляют биоритмы человека?
Что такое биоритмы организма
Биоритмы — это форма эволюционной адаптации к условиям изменений, которые периодически происходят в окружающей среде.
Также биоритм — это временное взаимодействие внутренних систем организма человека друг с другом и с окружающей средой, благодаря которому можно говорить об их слаженной координации и жизнедеятельности.
Есть несколько вариантов биоритмов — суточные, месячные, годовые — которым подчиняется наш организм и, соответственно, вся жизнь. Наши поведение и самочувствие меняются в зависимости от времени суток или года.
Что касается суточных биоритмов, то в большей степени они характерны растениям и животным — на таких биологических ритмах строится вся их жизнь. Но и людей они не обходят стороной, руководя отдельными процессами в их организме.
Каковы причины биологических ритмов
Существование биоритмов, а также влияние биоритмов на организм человека, известно еще со времен Ветхого Завета. В нем можно найти указания относительно дневного распорядка, правильного образа жизни, соотношения отдыха и активностей. Среди древних ученых также были те, кто писал о биологических ритмах. К примеру, Авиценна, Гиппократ и др.
Любой организм представляет собой уникальный набор аминокислот, а также уникальное сочетание белков и генов. По этой причине каждому организму подходит свой образ жизни: режим сна, дневной распорядок, питание, количество ежедневных нагрузок и т. д.
Виды биоритмов
Биоритм человека включает в себя 2 группы, которые образуются по такому критерию как выполняемая функция:
Биоритмы организма делят по группам, основываясь на длительности периода:
Самые изученные на данный момент — суточные биоритмы.
Суточные биоритмы человека
Давайте подробнее остановимся на биоритмах органов человека по часам. Это природные биологические ритмы человека.
С 5 до 6 утра. В это время отмечается повышение температуры тела человека, а уровень мелатонина снижается. Отмечается также повышение выработки гормонов, которые отвечают за активность. Среди них — кортизол, адреналин и др. Человека начинает дышать глубже, повышается давление. Системы органов отличаются полной готовностью — отмечается первый подъем бодрости. Организм готовиться к насыщенному дню.
7 утра. Лучшее время для завтрака. Желудок в это время максимально активен: пища, поступающая в организм, быстрее переваривается и с большей пользой.
9 утра. Отмечается небольшой спад активности. Это время подходит для решения задач, которые не вынуждают сильно концентрироваться.
10 утра. Лучшее время для напряженной умственной работы и физической нагрузки. Системы органов отличаются максимальной активностью, а организм — работой на максимальном уровне. В это время советуют принимать витамины и пищевые добавки для повышения иммунитета, поскольку в 10 утра активизируется иммунная система. Также повышается работоспособность и улучшение работы кратковременной памяти.
12 дня. Наблюдается снижение уровня работоспособности — не так много глюкозы попадает в кровь. Поэтому в такое время лучше отдохнуть, переключить внимание и устроить перекус.
13 дня. Подходящее время для обеда, так как в это время в желудке вырабатывается большое количество желудочного сока.
14 дня. Происходит настройка организма на работу — как умственная, так и физическая. Системы органов работают активно, а сам организм — очищается.
15 дня. Работоспособность остается на прежнем уровне, человек находится в спокойном состоянии.
Активизируется долгосрочная память, поэтому в это время лучше что-то учить и запоминать.
16-17 дня. Если вы думали посетить баню или спортзал, то это лучшее время. Кровообращение отлично работает, поэтому любые физические нагрузки будут полезны. Психическая деятельность тоже на хорошем уровне, но начинается ее снижение.
18 вечера. Время плотного ужина. Ужины после 18 не рекомендуют не просто так: после этого времени ферментативная активность уже не такая хорошая, поэтому пища не усваивается.
19 вечера. Восстановительный режим организма. Отмечается максимальная эмоциональная напряженность. Допускается небольшая физическая активность. Также наблюдается рост кровяного давления, увеличение нервозности, появление головной боли.
20 вечера. Происходит нормализация эмоционального фона и рост интеллектуальной активности. Прекрасное время, чтобы решать сложные задачи, которые сопровождаются энергетическими затратами и высокой работоспособностью мозга.
21 вечера. Наблюдается снижение температуры тела, замедление дыхания, подготовка организма ко сну.
23 ночи. Лучшее время для начала сна. Если не лечь спать в это время, то есть риск сбоя естественных ритмов организма. Может возникнуть чувство голода.
24 ночи. Отмечается пик восстановительной работы, обновление клеток. Организм нуждается в покое.
С 2 до 4 ночи. Все системы организма максимально расслабляются. Умственная активность снижается, как и сила мышц. Наблюдается замедление сердечного ритма, поверхностное дыхание, снижении температуры тела. Единственный орган, который работает в этом время — печень: происходит полное очищение организма и восстановление клеток. Это не очень благоприятное время для «сов», так как они в это время подвержены стрессам, депрессии и нервным срывам.
Таблица биоритмов органов человека по часам
Биологические ритмы организмов
Вся живая материя, от молекул до биосферы в целом, подвержена разного рода колебаниям, биологическим ритмам. Биоритмы — изменения в биологических процессах, которые постоянно, волнообразно (с разными интервалами) повторяются.
Отцом науки о биологических ритмах, хронобиологии, по праву называют немецкого врача Кристофа Гуфеланда, открывшего в 1790-х годах некие универсальные ритмические процессы, которым подвержены живые организмы, — ежедневную повторяемость событий и реакций и зависимость их от суточных циклов, то есть от вращения Земли вокруг оси.
Научные разработки в хронобиологии начались в XX веке — в России этими аспектами занимались, в том числе, И. П. Павлов, В. И. Вернадский, А. Л. Чижевский.
1. Суточные биоритмы, называемые также циркадными, присущи всем живым организмам. Даже невидимые глазу бактерии живут по «расписанию», меняя активность в течение суток. Суточные биоритмы — реакция земной жизни на каждый оборот планеты вокруг Солнца. Проявления этих биоритмов разнообразны.
1) Например, в жарких регионах, особенно в пустынях, жизнь в разгар дня не оживляется, а замирает, и только редкие животные сохраняют активность.
2) А вот в регионах с умеренным климатом день — самый разгар активности. Животные, птицы, насекомые — все суетятся, ищут пищу или пару. Но и вечерами, в сумерках, жизнь не затихает, потому что «на тропу» выходят ночные существа. Если днем на открытой местности, под лучами солнца, нет комаров, то с заката до рассвета они чрезвычайно бодры.
3) Прекрасно выражены суточные биоритмы у человека. С наступлением темноты в организме начинается выработка мелатонина, который поспособствует своевременному засыпанию.
2. Сезонные, или же годовые, биоритмы приспосабливают организм к смене сезонов, времен года. От них зависит наступление брачного периода, линьки, впадение в спячку и проч. Человек поздней осенью становится менее активным, ему хочется больше спать, быстрее наступает утомление. Ведущий фактор, на который быстро реагируют организмы — изменения продолжительности дня. Это реагирование называется фотопериодизмом. Пожелтение листвы, подготовка деревьев к зиме — это ответ на сокращение светового дня. А весной, как только день начинает удлиняться, растения «просыпаются» и готовятся к росту и цветению.
3. Приливно-отливные биоритмы проявляются у организмов, живущих в литорали, то есть в прибрежных областях морей и океанов — ракообразных, моллюсков, мелких рыбешек, водорослей. Например, двустворчатые моллюски во время подъема уровня воды открывают раковины и дают возможность сифонам захватить как можно больше жидкости, содержащей кислород и пищу, а во время отлива захлопывают створки и зарываются в грунт.
Перечисленные нами биоритмы иногда называют адаптивными (экологическими), потому что они выработались у самых разных организмов за миллионы лет эволюции и закрепились на генетическом уровне.
Особенности биологического ритма организма человека
Параметры биологического ритма. Среди параметров биологического ритма период представляет собой тот промежуток времени, через который в ритме происходит воспроизведение событий. Период ритма явился основой классификации ритмических биологических колебаний.
Эндогенные и экзогенные ритмы. Протекание различных биологических ритмов координируется и наблюдается согласованно с внешними геофизическими ритмическими колебаниями. С колебаниями условий, происходящих с теми же периодами (суточный цикл освещенности, смена приливов и отливов, фазы луны, сезоны года), согласуются (синхронизируются) биологические колебания в организме. Они называются датчиками или указателями времени
для биологических ритмов. Биологические ритмы, возникающие как реакция на периодические изменения среды, называются экзогенными биологическими ритмами. Внешние воздействия могут сдвинуть фазы биологического ритма и менять их амплитуду. Такие биологические ритмы называются эндогенными.
Благодаря связи внутренних и внешних ритмов организм приспосабливается к различным условиям.
Макроритмы у человека. У человека наблюдается три биологических ритма. Это макроритмы: 23-дневный физический, 28-дневный эмоциональный (психический) и 33-дневный интеллектуальный ритмы. В эти дни может наблюдаться недомогание и т.д.
Биологические ритмы у человека имеют некоторые особенности. Общие закономерности биологических ритмов свойственны и человеку. Вместе с тему человека отмечаются некоторые особенности. Например, к таким особенностям можно отнести особенности регуляции биологических ритмов датчиками времени. Датчиком времени может служить фотопериодичность. Для человека фотопериодичность имеет несколько меньшее значение по сравнению с животными. Это можно видеть из следующего. По сравнению с действием освещенности параллельно использованные другие воздействия (акустические сигналы, звуковые сигналы, цвета окружающего мира, взаимоотношения между членами коллектива, мотивационные ситуации и др.) могут оказывать сильное влияние на биологические ритмы человека. Поэтому все эти виды воздействия относятся к социальным датчикам времени для человека. Однако не у всех людей это может быть выражено одинаково. Это связано с генетическими факторами, которые относятся к устойчивым индивидуальным свойствам. Учет этих индивидуальных различий имеет значение при оценке состояния биоритмов организма и прогнозировании его адаптивных возможностей.
Следовательно, биологические ритмы наследственно закреплены и являются адаптацией организма.
Большинство физиологических, биохимических и других процессов в организме протекает синхронно. Они регулируются центральной нервной системой. Ритмическая деятельность центральной нервной системы проявляется в регуляции физиологических ритмов, осуществляется гормонами желез внутренней секреции.
Физиологические процессы в организме человека изменяются каждый час суточного ритма и приспосабливают организм к изменениям внешней среды. Поэтому, например, показатели состояния организма в 7 часов утра отличаются от показателей, соответственно, в 8 часов утра. Показатели за 24 часа характеризуют столько же состояний организма. Это влияет на трудоспособность и продуктивность труда человека. Продуктивность умственного труда выше в первую половину дня (около 11 часов), а к вечеру снижается. Но она может отличаться у разных людей. У некоторых людей продуктивность умственного труда выше ночью. Это зависит от состава пищи, нормального сна, определенного задания, окружающей среды, привычек человека.
Периодические изменения морфологических показателей организма бывают двух типов: в первом типе под действием определенных факторов процессы в организме протекают нормально; ко второму типу относятся изменения, возникающие под влиянием ритмических воздействий. Среди ритмических явлений бывают сезонные и циклические.
Сезонные изменения характеризуются строгим сокращением длительности, а в циклических изменениях отсутствует повторяемость процессов.
В период сна (от 22 до 6 часов) ассимиляция гликогена усиливается, а образование желчи замедляется. Максимум фазы ассимиляции наблюдается в период с 24 до 2 часов ночи. В часы
На биоритм человека влияют звуки, условия внешней среды, различные цвета, взаимоотношения между людьми в коллективе.
1. Что называют физиологическими часами?
2. Каково значение биоритмов?
3. Что называют хронобиологией?
4. Какие группы биоритмов различают, каково их значение?
5. Для чего необходимо знать биологические ритмы в жизни человека?
6. В чем значение хронофармакологии, хрономедицины?