Биологические часы

Хронобиология (от «Chrono», «Chronos» — «время») — область науки, которая исследует периодические (циклические) феномены, протекающие у живых организмов во времени, и их адаптацию к солнечным и лунным ритмам [1]. Эти циклы именуют биологические ритмы (БР).

Хронобиологические исследования включают, но не ограничиваются ими, работы в области сравнительной анатомии, физиологии, генетики, молекулярной биологии и биологии поведения организмов [1]. Другие аспекты включают исследование развития, воспроизведения, экологии и эволюции видов. (См. также: «супрахиазматическое ядро», мелатонин, светотерапия и др.)

Описание

Синхронизация уровня и длительности биологической активности с внешними факторами у живых организмов происходят при многих существенных биологических процессах. Эти происходит

• у животных (еда, сон, спаривание, зимовка, миграция, клеточная регенерация, и т. д.),
• у растений (движения листа, фотосинтез и т. д.).

Наиболее важный ритм в хронобиологии — суточный ритм, примерно 24-часовой цикл физиологических процессов у растениях и животных. (Слово «циркадианный» приходит из латыни, — «цирка» означает «около», «примерно», и «диас» — «день», «сутки», то есть «циркадианный» или «циркадный» — это «околосуточный»).

Есть и другие важные циклы:

• инфрадианные, более долгосрочные, такие как ежегодные циклы миграции или воспроизведства, выявленные у некоторых животных, или человеческий менструальный цикл.
• ультрадианные ритмы, краткие циклы, такие как 90-минутный цикл REM-сна у людей, 4-часовой назальный цикл или 3-часовой цикл продуцирования гормона роста.

Периодические ритмы, обычно наблюдаемые у морских животных, часто следуют (примерно) 12-часовому переходу от прилива к отливу и обратно.

История

Циркадианный цикл был первоначально обнаружен, в XVIII веке, в движении листьев растения французским ученым Жаном-Jacques d’Ortous де Mairan (для просмотра описаний суточных ритмов растений см. — de Mairan, Linnaeus и Darwin). В 1751 шведский ботаник и натуралист Carolus Linnaeus (Карл Линней) сконструировал даже настоящие биологические часы, используя некоторые суточные виды цветущих растений.

Упорядочивая растений в круговом паттерне, он сконструировал биологические часы, которые самым натуральным образом показывали время дня, в зависимости от того, чьи цветки были открыты и чьи закрыты. Например, он обнаружил, что растение hawk’s beard (ястребиная бородка) открывает свои цветки в 6:30, тогда как другой вид, hawkbit, не открывает свои цветки до 7:00.

В 1860 сек Karl Ernst von Baer написал о биологическом времени и его различии у различных видов животных [2]. Его подход был далее развит и экспериментально изучен Jakob von Uexküll.

В 1924 Александр Чижевский (A. Chizhevsky), дипломант Военно-медицинской школы в Московском Университете, опубликовал междисциплинарные работы: «Физические факторы позади процесса истории» и «Эпидемиологические катастрофы и периодическая активность Солнца», в которых он описал циклы у живых организмов в связи с солнечным циклом и циклом лунных фаз. Чижевский развил новую дисциплину, гелиобиологию, как подраздел астробиологии. В 1939 он был избран Почетным президентом Международного Конгресса по биологической физике, после публикации в 1936 г. его работы «Земное эхо солнечных штормов» (366 стр., 1976, Москва) (Впервые опубликована в 1936 на русском языке: «А. Л. Чижевский. Земное эхо солнечных бурь», полный текст — на русском языке). Однако, вскоре он был арестован советским правительством и сослан в Сибирь во время диктатуры Иосифа Сталина. Его публикации были подвергнуты цензуре, и его исследования 1930-х гг. по крови и электромагнитным параметрам эритроцитов в связи с циклами человеческой циркадианной системы были запрещены; они были опубликованы в 1973 г., 40 лет спустя. Его публикация 1928 г. «Влияние космоса на психозы человека» было подвергнуто цензуре в Советском Союзе, хотя в 2003 на эту работу продолжали ссылаться в "Journal of Circadian Rhythms ".

Симпозиум 1960 г. в at Cold Spring Harbor Laboratory, как представляется, определяет момент, когда исследователи, женщины и мужчины, из различных областей науки, обнаружили, что они все изучали одни и те же феномены. Тогда и было положено начало хронобиологии как современной науке.

Также в 1960 г. Patricia DeCoursey изобрела кривую фазной реакции, главной инструмент, используемой в этой области.

Франц Холберг (Franz Halberg) из Университета Миннесоты ввел термин «циркадианный», и его часто именуют «отцом американской хронобиологии». Однако Colin Pittendrigh, а не Halberg был избран руководителем «Общества исследований биологических ритмов» в 1970-е гг. Halberg делал больший акцент на человеческие и медицинские аспекты, в то время как Pittendrigh исходно занимался больше эволюцией и экологией. Pittendrigh, как руководитель, и члены Общества сделали основополагающие исследования на всех типах организмов, и растений, и животных. Позже было трудно получить финансирование для подобных исследований на каким-либо других организмах, кроме мышей, крыс и человека [3], [4], а также дрозофил.

Позже, светолечение и значение мелатонина были исследованы д-ром Alfred J. Lewy (OHSU) и другими исследователями, как средства для перенастройки заново суточных ритмов животных и человека. Человек может иметь утренний тип («жаворонки») или вечерний («совы»); эти типы называют хронотипами. Для них есть различная оценочная техника и биологические маркеры.

Во второй половине 20 столетия существенные вклады были созданы европейскими учеными, — Jürgen Aschoff и Colin Pittendrigh, которыми выполнили различные, но дополняющие друг друга исследования относительно феномена захвата циркадианной системой света (параметрический, непрерывный, тонический, постепенный по сравнению с непараметрические, дискретный, фазный, мгновенный, соответственно).

Есть также пищевые биологические часы, которые не ограничены супрахиазматическим ядром. Оно находится в мозге, возможно в дорсомедиальном ядре гипоталамуса. Работа с мышами, Fuller и др. сделали вывод, что с определенного времени биологические часы, как представляется, индуцируют пищевые ограничения. Это говорит о контроле подобных функций как синхронизации активности, повышая шансы для животного успешно определять местонахождение пищевых ресурсов [5], [6].

Достижения хронобиологии

1. БР обнаружены на всех уровнях организации живой природы. Биоритмика — одно из наиболее общих свойств живых систем.
2. БР признаны важнейшим механизмом регуляции функций организма, обеспечивающим гомеостаз, динамическое равновесие и процессы адаптации в биологических системах.
3. БР, с одной стороны, имеют эндогенную природу и генетическую регуляцию, с другой, их осуществление тесно связано с модифицирующим фактором внешней среды, так называемых датчиков времени. Эта связь в основе единства организма со средой во многом определяет экологические закономерности.
4. Сформулированы положения о временной организации живых систем, в том числе — человека — одним из основных принципов биологической организации. Развитие этих положений очень важно для анализа патологических состояний живых систем.
5. Обнаружены БР чувствительности организмов к действию факторов химической и физической природы. Хронофармакология — способы применения лекарств с учетом зависимости их действия от фаз биологических ритмов функционирования организма и от состояния его временной организации, изменяющейся при развитии болезни.
6. Закономерности БР учитывают при профилактике, диагностике и лечении заболеваний.

Другие области

Хронобиология — междисциплинарная область исследований. Он взаимодействует с медициной и другими областями науки. См. нарушение ритмов организма, расстройства сна, эндокринология, гериатрия, спортивная медицина, космическая медицина и фотопериодизм [7], [8], [9].

«Теория биоритмов», которая якобы описывает ряд циклических изменений человеческой формы поведения, основанные на физиологических и эмоциональных циклах, не является частью хронобиологии.

Список литературы

1. Patricia J. DeCoursey, Jay C. Dunlap, Jennifer J. Loros (2003). Chronobiology. Sinauer Associates Inc. ISBN 978-0878931491.
2. Baer, Karl Ernst von 1864. Welche Auffassung der lebenden Natur ist die richtige? Und wie ist diese Auffassung auf die Entomologie anzuwenden? In: Baer, K. E. v. 1864. Reden gehalten in wissenschaftlichen Versammlungen und kleinere Aufsätze vermischten Inhalts. Erster Theil: Reden. St.Petersburg: H.Schmitzdorff, p. 237—284.
3. Zivkovic, Bora (2006-07-03). «ClockTutorial #2a, Forty-Five Years of Pittendrigh’s Empirical Generalizations». A Blog Around the Clock. ScienceBlogs. Retrieved on 2007-12-23.
4. Zivkovic, Bora (2006-05-17). «Clocks in Bacteria V». A Blog Around the Clock. ScienceBlogs. Retrieved on 2007-12-23.
5. Fuller, Patrick M.; Jun Lu, Clifford B. Saper (2008-05-23). «Differential Rescue of Light- and Food-Entrainable Circadian Rhythms» (free abstract). Science 320 (5879): 1074—1077. doi:10.1126/science.1153277. PMID 18497298. Retrieved on 2008-05-30.
6. Newswise: Food-Related Clock in the Brain Identified Retrieved on 2008-05-19
7. Postolache, Teodor T. (2005). Sports Chronobiology, An Issue of Clinics in Sports Medicine. Saunders. ISBN 978-1416027690.
8. Ernest Lawrence Rossi, David Lloyd (1992). Ultradian Rhythms in Life Processes: Inquiry into Fundamental Principles of Chronobiology and Psychobiology. Springer-Verlag Berlin and Heidelberg GmbH & Co. K. ISBN 978-3540197461.
9. Hayes, D.K. (1990). Chronobiology: Its Role in Clinical Medicine, General Biology, and Agriculture. John Wiley & Sons. ISBN 978-0471568025.

См. также

• Хронотип
• Чувства времени
• Chronotype
• Sense of time

Исследовательские публикации

• Hastings, Michael, «The brain, circadian rhythms, and clock genes». Clinical review. BMJ 1998;317:1704-1707 19 December.
• U.S. Congress, Office of Technology Assessment, «Biological Rhythms: Implications for the Worker». U.S. Government Printing Office, September 1991. Washington, DC. OTA-BA-463. NTIS PB92-117589
• Ashikari, M., Higuchi, S., Ishikawa, F., and Tsunetsugu, Y., «Interdisciplinary Symposium on 'Human Beings and Environments': Approaches from Biological Anthropology, Social Anthropology and Developmental Psychology». Sunday, 25 August 2002
• «Biorhythm experiment management plan», NASA, Ames Research Center. Moffett Field, 1983.
• «Biological Rhythms and Human Adaptation to the Environment». US Army Medical Research and Materiel Command (AMRMC), US Army Research Institute of Environmental Medicine.
• Ebert, D., K.P. Ebmeier, T. Rechlin, and W.P. Kaschka, «Biological Rhythms and Behavior», Advances in Biological Psychiatry. ISSN 0378-7354
• Horne, J.A. (Jim) & Östberg, Olov (1976). A Self-Assessment Questionnaire to determine Morningness-Eveningness in Human Circadian Rhythms. International Journal of Chronobiology, 4, 97-110.

Другие источники

• Journal of Circadian Rhythms (articles)
• Halberg Chronobiology Laboratory at the University of Minnesota, founded by Franz Halberg, the «Father of Chronobiology»
• The University of Virginia offers an online tutorial on chronobiology.
• See the Science Museum of Virginia publication Can plants tell time?
• The University of Manchester has an informative Biological Clock Web Site
• Cycles Research Institute includes an article on Chizhevsky.
• VII Международная Крымская Конференция «Космос и Биосфера», 1-6 Октября, 2007, Судак, Украина .
• S Ertel’s analysis of Chizhevsky’s work