Циркадные_ритмы_с_временами_года

Циркадные_ритмы_с_временами_года

Как знания о циркадных ритмах помогут вам настроить правильный режим сна

Нейробиолог Рассел Фостер (Russel Foster) рассказал, что такое циркадные ритмы, почему они сбиваются и как это связано со сном. Лайфхакер публикует перевод его статьи.

Циркадные ритмы — это внутренние биологические ритмы организма с периодом около 24 часов. Они заранее подготавливают организм, настраивая все физиологические процессы в соответствии с ежедневными изменениями в окружающем мире.

Циркадные ритмы есть практически у всех живых организмов на планете, включая бактерии. У человека главный циркадный ритм — это цикл сна и бодрствования.

Клетки-часы

На молекулярном уровне в организме работают циркадные часы, запускающие процессы внутренних колебаний, которые регулируют физиологические процессы в соответствии с внешним 24-часовым циклом.

Есть несколько видов часовых генов, которые отвечают за производство белков. Их взаимодействие создаёт петлю обратной связи, которая вызывает 24-часовые колебания часовых белков. Затем эти белки подают клеткам сигнал о том, какое сейчас время суток и что необходимо сделать. Это и заставляет идти биологические часы.

Таким образом, циркадные ритмы — это не результат совместной работы множества разных клеток, как предполагалось изначально, а свойство каждой отдельной клетки.

Чтобы от циркадных часов была польза, они должны быть синхронизированы с сигналами окружающего мира. Самый очевидный пример расхождения между биологическими часами и внешним миром — джетлаг.

Когда мы попадаем в другой часовой пояс, нам приходится приспосабливать свои биологические часы к местному времени. Фоторецепторы (светочувствительные нейроны сетчатки глаза) улавливают изменения в цикле чередования света и темноты и посылают сигналы циркадным часам подогнать биологические часы организма в соответствии с внешними стимулами. Подгонка суточного ритма обеспечивает правильную работу всех клеточных процессов.

В сложных многоклеточных организмах часто есть главные часы, которые координируют работу всех клеток-часов. У млекопитающих главные часы — это супрахиазматическое ядро (СХЯ), расположенное в головном мозге. От клеток сетчатки глаза СХЯ получает информацию о свете, настраивает находящиеся в нём нейроны, а они уже посылают сигналы, согласовывающие работу всех остальных процессов в организме.

Основные свойства циркадных ритмов

1. Циркадные ритмы сохраняются при постоянных условиях света или темноты при отсутствии других внешних стимулов. Это было обнаружено в результате эксперимента, проведённого в 1729 году французским учёным Жан-Жаком де Мераном. Он поместил растение в тёмное место и заметил, что даже в постоянной темноте листья открываются и закрываются в том же ритме.

Это стало первым свидетельством того, что циркадные ритмы имеют внутреннее происхождение. Они могут колебаться и в зависимости от вида быть немного длиннее или короче 24 часов.

2. Циркадные ритмы не зависят от внешней температуры. Они не замедляются и не ускоряются в значительной степени, даже когда температура резко меняется. Без этого свойства циркадные часы не смогли бы определять время.

3. Циркадные ритмы могут закрепляться за внешними 24-часовыми сутками. При этом основным сигналом является свет, хотя влияние оказывают и другие сигналы.

Значение циркадных ритмов

Наличие биологических часов позволяет организму предугадывать предсказуемые изменения окружающей среды и заранее настраивать поведение, принимая во внимание эти условия. Например, зная, что рассвет наступит через три часа, организм начинает увеличивать скорость обмена веществ, температуру, усиливать кровообращение. Всё это подготавливает нас к активной деятельности в течение дня.

Вечером, когда мы готовимся ко сну, физиологические процессы в организме начинают замедляться. Во время сна мозг активно работает. Он фиксирует воспоминания, обрабатывает информацию, решает проблемы, посылает сигналы о восстановлении повреждённых тканей и регулирует запасы энергии. Некоторые части мозга во время сна более активны, чем во время бодрствования.

Циркадные ритмы и сон

Цикл сна — наиболее очевидный суточный ритм человека и животных, но он зависит не только от циркадных ритмов.

Сон — крайне сложное состояние, возникающее благодаря взаимодействию различных областей головного мозга, гормонов и системы нейромедиаторов. Из-за своей сложности цикл сна очень легко расстроить.

Недавние исследования показали, что нарушение сна и циркадных ритмов характерно как для нейродегенеративных, так и для нейропсихиатрических расстройств, при которых неправильно работают нейромедиаторы. Например, такое нарушение характерно для более 80% пациентов с депрессией и шизофренией.

Но неудобства, возникающие из-за ощущения сонливости в течение дня, — мелочи. Нарушение сна и циркадных ритмов также связано с целым комплексом патологий, включая депрессию, бессонницу, ухудшение внимания и памяти, снижение мотивации, метаболические расстройства, ожирение, проблемы с иммунной системой.

Как настроить свои биологические часы

Учёные долго задавались вопросом, как глаз распознаёт свет для подстраивания циркадных ритмов. Недавно в сетчатке были обнаружены специальные чувствительные к свету клетки — фоточувствительные ганглионарные клетки сетчатки. Эти клетки отличаются от палочек и колбочек, о которых учёным было давно известно.

Зрительные раздражения, воспринятые фоточувствительными ганглионарными клетками, из глаза попадают в мозг по зрительному нерву. Но в 1–2% таких ганглионарных клеток есть зрительный пигмент, чувствительный к синему цвету. Таким образом, фоточувствительные ганглионарные клетки фиксируют рассвет и сумерки и помогают настроить биологические часы организма.

Из-за современного образа жизни мы часто не получаем достаточно света, большую часть времени проводя в помещении. Это может быть причиной того, что наши часы настраиваются неправильно.

Исследования подтвердили, что принимая пищу в одно и то же время и занимаясь спортом по утрам, можно выработать правильный режим сна.

Циркадианные ритмы

Нейроученый Рассел Фостер о цикле «сон — бодрствование», фоточувствительных ганглионарных клетках сетчатки и нарушении суточного ритма

Питер Брейгель Старший — Страна лентяев, 1567

Циркадианный ритм нужен, чтобы точно подстраивать все аспекты физиологии и поведения к требованиям 24-часового мира. Он предвосхищает ежедневные изменения в продолжительности светового дня, в температуре, доступности пищи и даже в поведении хищников и заранее готовит организм к изменениям в окружающей среде, чтобы он был полностью адаптирован.

Часовые клетки

Суточные ритмы свойственны почти всем формам жизни, включая одноклеточную жизнь и бактерии. В организме на молекулярном уровне работают циркадианные часы, которые управляют внутренним колебанием, период которого составляет около 24 часов. Это колебание подстраивает внутренний физиологический ритм под внешний 24-часовой цикл. Мы знаем, что заставляет работать внутренние часы: существует несколько важных часовых генов, вырабатывающих часовые белки. Они взаимодействуют между собой, образуя молекулярную петлю обратной связи, которая генерирует в часовых белках колебания с периодом, близким к 24 часам; затем белки сообщают клетке, когда что делать и какое сейчас время дня. Изначально мы думали, что циркадианные ритмы возникают при совместной работе множества разных клеток, образующих единую сеть, но сейчас считается, что это — свойство отдельных клеток.

Читайте также:  Брюнетки_в_спортивном_стиле

Чтобы работа циркадианных часов приносила пользу организму, они должны быть подстроены под внешний мир. Самый очевидный пример несоответствия между внутренними часами и внешним миром — джетлаг: когда мы совершаем перелет через несколько часовых поясов, нам нужно подстроить наши внутренние часы под местное время, которое определяется по циклу восхода и заката солнца. Фоторецепторы регистрируют продолжительность фаз света и темноты в цикле и посылают сигналы молекулярному часовому механизму, чтобы подстроить внутренние часы под внешний мир. Люди наиболее чувствительны к суточным изменениям в количестве света и темноты, но некоторые животные, например рептилии, также ориентируются на ежедневные изменения температуры для установления своего биологического ритма. Подстройка под внешний мир, как бы она ни происходила, гарантирует, что в любой час все клетки тела будут совершать нужные процессы в нужное время суток.

В сложных многоклеточных формах жизни часто есть центральные, или «руководящие», часы, которые координируют все остальные. У млекопитающих контрольные часы находятся внутри мозга и называются супрахиазматическое ядро. Оно получает от глаз информацию об уровне света и в соответствии с ней подстраивает работу своих 50 000 нейронов, которые затем посылают множество сигналов, координируя работу остального организма. Чтобы генерировать циркадианный ритм, часовые клетки супрахиазматического ядра используют более 14 различных генов и их белковые продукты.

Основные свойства циркадианных ритмов

Циркадианный ритм — особый тип биологического ритма. Биологический ритм ― это общий термин, описывающий любой ритмический процесс. Некоторые ритмы генерируются внутренними часами, в то время как другие зависят от окружающей среды. Биологический ритм, генерируемый часами, будет оставаться постоянным при постоянном уровне света и температуры. Кроме 24-часовых циркадианных ритмов есть часы, которые идут с периодом в год или 360 дней и называются цирканнуальными ритмами, или «приливные часы», которые были обнаружены у организмов, живущих на берегу моря, ― их биологические часы обладают периодом около 12,8 часов.

Мы знаем о 24-часовых ритмах уже очень давно: еще древние греки говорили о ежедневных изменениях в организме, но они думали, что они обусловлены только изменениями в количестве света и температуре во внешнем мире. Первый научный эксперимент по выявлению циркадианных ритмов был проведен в 1729 году французским ученым и астрономом Жан-Жаком Дорту де Мераном: когда он поставил растение в темное место, он заметил, что в постоянной темноте листья открываются и закрываются с ритмичностью, близкой к 24 часам. Это наблюдение было первым фиксированным указанием на то, что биологические ритмы могут быть заданы изнутри. После этого экспериментов было очень мало, и так продолжалось вплоть до 1950–1960-х годов, когда были открыты реальные свойства циркадианных ритмов.

Первое свойство циркадианного ритма заключается в том, что при постоянных условиях освещенности он остается неизменным. У разных видов период ритма может быть немного длиннее или короче 24 часов: у человека часы немного длиннее, тогда как у мышей немного короче.

Второе ключевое свойство состоит в том, что у этих ритмов есть температурная компенсация. Это означает, что, даже если внешняя температура радикально меняется, 24-часовой ритм не очень сильно ускоряется или замедляется. Это крайне важно, ведь если бы температурной компенсации не было, то циркадианные часы не могли бы точно указывать время.

Третья ключевая особенность — циркадианные ритмы замкнуты на внешний 24-часовой день. Основным сигналом для подстройки ритма является свет, хотя есть и другие сигналы, например температура.

Некоторые организмы могут настраивать свои часы, опираясь на циркадианное поведение других животных. Например, детеныши мыши устанавливают свои циркадианные ритмы до и после рождения на основании гормональных сигналов своей матери: в матке сигналы поступают в кровь через плаценту, а после рождения — с молоком. Позже, когда аксоны между глазами и супрахиазматическим ядром уже сформированы, мышата могут опираться на уровень света. Происходит ли это у людей так же или нет — мы точно не знаем. Другой пример: малярийные паразиты могут определить время суток по сигналам в крови, и это побуждает их ночью передвигаться к очень близким к коже кровеносным сосудам, где комары подбирают их вместе с кровью. Затем комар кусает другого человека и заражает другую жертву.

Важность рутины

Главный плюс наличия часов состоит в том, что они позволяют организму предвидеть предсказуемые изменения в окружающей среде и заранее подстраивать физиологию и поведение под изменяющиеся условия. Например, если вы знаете, что рассвет будет через три часа, вы можете начать увеличивать уровень метаболизма, температуру тела, мышечную силу и ток крови и в целом настраиваться на активность. Все это готовит вас к тому, чтобы, когда наступит утро, вы были активны и могли полностью использовать новую среду. Если бы для этого мы просто ждали утра, мы бы потратили много времени, приспосабливаясь к новой среде, и в течение этого времени не были бы в состоянии полностью использовать «новые» условия.

Таким же образом в конце дня, когда мы начинаем засыпать, физиология тела начинает снижаться и выключаться, готовя мозг и остальную часть тела ко сну. Во время сна мозг очень занят: создает воспоминания, обрабатывает информацию, чтобы найти новые решения сложных проблем, поручает остальной части тела восстанавливать поврежденные ткани, восстанавливать метаболические пути и организовывать запасы энергии. Некоторые части мозга более активны во время сна, чем во время бодрствования, так что, хотя мы и не двигаемся, мозг невероятно активен, выполняя крайне важные действия, необходимые для следующего дня. Способность предсказывать и предвидеть, а не просто реагировать дает организму огромное селективное преимущество в борьбе за существование.

Читайте также:  Гепатопротекторный_эффект_это

Некоторые животные и растения также используют циркадианные часы для определения сезона: если организм измеряет ежедневные изменения в количестве темноты и света и если продолжительность темноты увеличивается или уменьшается, то он может очень точно определить время года. В Северном полушарии некоторые млекопитающие используют осеннее увеличение длины ночи как сигнал, что нужно готовиться к зимней спячке, а у других животных, таких как олени и овцы, это может побудить к спариванию: осеннее спаривание означает, что детеныш разовьется в течение зимы и родится весной, когда погода обычно хорошая и есть много новых растений в пищу. Есть млекопитающие, которые изменяют толщину и цвет своего меха, чтобы подготовиться к зиме: например, арктические песцы отращивают к зиме более густой и белый мех, который помогает им камуфлироваться и выживать.

У людей тоже есть сезонная биология. У большинства из нас она не очень заметна, но в целом люди в зимние месяцы часто сообщают о переменах в аппетите и об увеличении веса, а некоторые люди в это время становятся более депрессивными. Каким образом эти изменения возникают, пока еще неясно. Вполне вероятно, что в прошлом мы больше зависели от сезонов, чем сейчас. Отчасти это может быть связано с тем, что теперь мы живем в домах и таким образом защищены от внешнего мира и что сезонные ритмы Земли уже не так резко определены.

Как настроить часы

Большой вопрос: как глаз обнаруживает свет, с помощью которого корректирует циркадианные ритмы? Наша команда недавно открыла тот факт, что глаз содержит специальный набор чувствительных к свету клеток, называемых «фоточувствительные ганглионарные клетки сетчатки» (pRGC). Эти клетки сильно отличаются от колбочек и палочек, которые обнаруживают свет и создают изображение. Они формируются из ганглионарных клеток, аксоны которых выходят из глаза, собираются в зрительный нерв и направляются в мозг. Около 1–2% этих клеток обладают светочувствительным фотопигментом синего цвета, называемым OPN4. Фоточувствительные ганглионарные клетки регистрируют рассвет и закат, а затем устанавливают молекулярные часы на правильное время суток.

Еще одним ключевым открытием стало то, что у незрячих людей, а также у тех, у кого из-за генетических заболеваний колбочки и палочки повреждены, могут быть совершенно нормальные и функциональные фоточувствительные ганглионарные клетки. Таким образом, эти люди слепы, но с точки зрения часового механизма они видят. Это имеет важные последствия для врачебной практики, и офтальмологи должны рекомендовать незрячим пациентам с неповрежденными фоточувствительными клетками получать достаточно света, чтобы правильно настраивать циркадианные ритмы. Офтальмологи теперь понимают, что глаз ― это орган, который дает нам и ощущение пространства (зрение), и ощущение времени (суточная регуляция). Это понимание изменило наше определение слепоты и методы лечения глазных заболеваний.

Важно подчеркнуть, что если у вас вообще нет глаз, то вся подстройка с опорой на свет теряется. Раньше некоторые люди утверждали, что у нас есть фоторецепторы в мозге и даже за коленом, но такие утверждения так и не были подтверждены научными исследованиями. Без глаз большинство из нас будут ложиться спать каждый день примерно на 30 минут позже, чем в предыдущий, так как наш внутренний ритм составляет примерно 24 с половиной, а не ровно 24 часа. Бывают трагические ситуации, когда люди рождаются без глаз или теряют их в результате несчастного случая, и в настоящее время ведутся работы по обеспечению «фармакологической замены» света ― это таблетки, которые обманывают молекулярный механизм, заставляя его думать, что он видит свет, и в результате часы подстраиваются на нужное время.

Также есть еще одна проблема, связанная со светом: мы не получаем его в достаточном количестве в нужное время. Большую часть времени мы проводим в помещении, где свет недостаточно ярок, чтобы мы могли по нему подстроить часы. Для пожилых людей это особенно серьезная проблема, независимо от того, где они живут ― в своем доме или в доме престарелых. Однако когда количество получаемого света увеличивается, можно восстановить внутренние циркадианные ритмы и модель «сон ― бодрствование», в результате чего улучшается функционирование мозга. Также было доказано, что приемы пищи в одно и то же время и даже утренняя зарядка помогают людям поддерживать хороший режим сна.

Циркадианные ритмы и сон

В развитых и все в большей степени в развивающихся странах, где общество живет 24/7, нам остро нужно восстановить правильные модели сна. Наш 24-часовой ритм сна — это наиболее очевидный суточный ритм, который наблюдается у людей и многих животных, но сон — это нечто большее, чем просто часть циркадианной системы. Сон — это очень сложное состояние, созданное несколькими областями мозга, нейромедиаторными системами и модуляторами. Из-за этой сложности сон очень уязвим по отношению к расстройствам. Недавняя работа показала, что нарушения сна и циркадианного ритма (SCRD) являются общими для разных нейродегенеративных и нейропсихиатрических заболеваний, при которых нарушены пути нейромедиаторов. Например, SCRD наблюдается более чем у 80% пациентов с депрессией или шизофренией. Чувствовать сонливость в неподходящее время, конечно, неудобно, но это лишь верхушка айсберга. SCRD также ассоциируется с широким спектром взаимосвязанных патологий, таких как плохое внимание и память, снижение скорости умственных и физических реакций, снижение мотивации, депрессия, бессонница, нарушение обмена веществ, ожирение, иммунные нарушения и даже повышенный риск развития рака. Все они часто наблюдаются как при психических, так и при нейродегенеративных заболеваниях.

Читайте также:  Сколько_пектина_в_яблоках

Циркадные ритмы у человека

Человек эволюционировал в определенных условиях. Это повлияло не только на строение тела, особенности органов восприятия и обмен веществ, но и привело к тому, что процессы в организме происходят со строгой периодичностью. Циркадный ритмы — это биологические часы», период работы которых составляет одни сутки.

Что это такое

У всех, независимо от того, совы они или жаворонки, есть привычка ложиться спать в определенное время, что регулируется суточными ритмами. Однако они контролируют не только цикл сна и бодрствования, но и чувство голода, желание заниматься сексом, особенности работы сердечно-сосудистой и пищеварительной систем и другие процессы, протекающие в организме.

Их открытие имеет огромное значение: в 2017 году ученым, которые занимались их исследованием, была присуждена Нобелевская премия.

Знания о моментах, которым подчинена работа нашего тела, поможет разработать новые методы терапии бессонницы, депрессии и других заболеваний.

Представление о внутренних регуляторах времени имеется уже давно. В кардиологии широко применяется такое понятие, как циркадный индекс. Что это такое? Это соотношение средней дневной к средней ночной частоте сердечных сокращений.

Известно, что при заболеваниях сердца этот показатель сильно изменяется, что позволяет определить наличие патологии в процессе холтеровского мониторирования.

Биологический ритм обладает несколькими базовыми свойствами.

  1. При неизменных условиях он не меняется. Это значит, что продолжительность одного цикла сохраняется постоянной у каждого биологического вида. Например, один цикл занимает чуть больше 24 ч.
  2. Они не связаны с температурой окружающей среды. То есть если температура быстро изменится, такт не будет ускоряться или замедляться.
  3. Главный регулятор циркадных ритмов — продолжительность светового дня. Это очень важно, так как они помогают подстроиться под условия окружающей среды, например, уснуть с наступлением темноты, проснуться утром. При отсутствии данных точек отсчета организм всякий раз должен был бы приспосабливаться к новым условиям.

Проявления и механизм работы

Каждая клетка тела имеет собственные часы, работающие на молекулярном уровне. С периодичностью 24 часа белки, называемые тактовыми, вступают во взаимодействие, в результате чего активируются гены, отвечающие за определенные процессы.

Например, тактовые белки отвечают за выработку мелатонина, или гормона сна. Чем больше мелатонина выделяют клетки, тем сильнее желание отправиться в постель.

В качестве примера можно привести еще один феномен. Давно известно, что большая часть инсультов и инфарктов происходит в утреннее время.

Раньше ученые не понимали, почему это происходит. Однако с открытием циркадных ритмов стало очевидно, что перед пробуждением тактовые белки запускают процесс повышения артериального давления, что помогает проснуться.

Влияние времени суток

Благодаря биоритмам можно определить, какое время суток лучше подходит для определенной деятельности. Например, работать лучше через 2,5 — 3 ч. после пробуждения. А просыпаться человек должен с наступлением светового дня: ритмы настроены на освещенность внешней среды.

За 4 часа до отхода ко сну стоит заниматься физическими упражнениями: в этот период мускулы и дыхательная система работают на максимуме. Ужинать же следует за 2 ч. до отхода ко сну.

Хронотипы

Многие знают о существовании классификации людей в зависимости от пика их суточной активности. Согласно этой классификации, всех можно поделить на три типа.

  • «Жаворонки». Просыпаются с восходом солнца, максимально активны в первой половине дня. Спать «жаворонки» должны ложиться рано. Можно сказать, что они просыпаются с восходом, а в постель должны отправляться, когда солнце заходит;
  • «Совы». Без звонка будильника «сова» проснется поздно, в 10-11 часов утра. Пик активности «совы» выпадает на вторую половину дня, а ко сну она отправляется после полуночи;
  • «Голуби». Занимают промежуточное положение между «совами» и «жаворонками». Спать они идут за час-полтора до полуночи, активность равномерно распределяется в течение суток.

В сельской местности практически все «жаворонки», в городах же их всего 20-25%, в то время как почти половину (45%) составляют «совы».

Удалось выяснить, что «совиный» образ жизни в 1 случае из 70 является следствием мутации гена, отвечающего за выработку белка. Он способен задерживать наступление сонливости до раннего утра.

Правда, мутация эта достаточно редкая: такие «совы» не могут заставить себя лечь спать раньше, чем взойдет солнце. Поэтому им приходится подстраивать под эту особенность весь образ жизни, например, искать работу, связанную с ночными дежурствами.

Особенности работы биологических отсчетов зависят от возраста: существует даже таблица циркадных ритмов человека по возрастам.

В частности, младенец почти целые сутки напролет проводит во сне, просыпаясь для того, чтобы принять пищу. Взрослый же спит только 8-9 ч., в остальное время бодрствуя.

Причины сбоев

Наши внутренние биологические часы синхронизированы с головным мозгом: улавливаемый глазами свет координирует работу организма с режимом смены дня и ночи. Кстати, по этой причине многие люди так тяжело переносят джетлет, то есть смену часовых поясов. Для того, чтобы организм настроился на новый цикл, требуется как минимум неделя.

Однако есть и другой враг — искусственное освещение. Яркий свет дестабилизирует работу тактовых белков, что вызывает сбой циркадных ритмов. Мозгу кажется, что на дворе стоит день, а значит, нет необходимости вырабатывать мелатонин, чтобы подготовить организм к отходу ко сну.

Доказано, что, если человек перед сном читает электронную книгу или проверяет социальные сети на своем смартфоне, засыпает он медленно. Просыпается с трудом даже в том случае, если проспал 8-9 ч. Связано это с тем, что организм не смог подготовиться к сну и настроить все системы на «режим отдыха».

Суточные ритмы отражают тесную взаимосвязь организма со средой его обитания. Чтобы такты не сбивались, надо соблюдать «световую гигиену», включая яркий свет по утрам и не «засиживаясь» за компьютером или смартфоном после полуночи.

Благодаря этому удастся отладить тонкие механизмы саморегуляции, которые отлаживались в течение многовековой эволюции человека как вида.

Ссылка на основную публикацию
Худые_ставшие_качками
«У всех есть миссия — накормить тебя». Худые парни и качки ответили на вопросы из Google Качки бреют ноги? А...
Хочу_потолстеть_быстро_девушке
Как быстро набрать вес девушке Не все представительницы прекрасного пола мечтают похудеть. Есть немало девушек, желающих стать женственнее, а для...
Хочу_похудеть_на_10_килограмм
Как похудеть на 10 кг за разные сроки: варианты от 7 дней до 2 месяцев Если за праздники набрали пару...
Худые_стройные_девочки
6 ошибок при выборе свитера, которые превращают стройных девушек в толстушек Получайте на почту один раз в сутки одну самую...
Adblock detector