Биочасы: биологические ритмы организма¶

Биочасы (биологические часы, циркадианные ритмы) — это совокупность внутренних механизмов организма, обеспечивающих периодические колебания физиологических процессов с околосуточным периодом. Они представляют собой эволюционно закреплённую систему синхронизации жизнедеятельности с циклами внешней среды — прежде всего со сменой дня и ночи. Биочасы регулируют сон и бодрствование, температуру тела, гормональный фон, обмен веществ, работу сердечно-сосудистой и пищеварительной систем.

¶Общая характеристика

Основной период биологических часов у человека и большинства живых организмов близок к 24 часам, поэтому такие ритмы называют циркадианными (от лат. circa — «около» и dies — «день»). Помимо суточных, выделяют ультрадианные (период короче суток, например ритмы дыхания) и инфрадианные (период длиннее суток, например менструальный цикл) ритмы.

Ключевое свойство биочасов — способность поддерживать ритм даже в отсутствие внешних сигналов. В экспериментах с изоляцией от естественного света у людей период свободно текущего ритма составлял в среднем около 24,2 часа, что подтверждает наличие внутреннего генератора, а не простой реакции на освещённость.

¶История изучения

Наблюдения за суточной периодичностью растений и животных известны с античности. В XVIII веке французский астроном Жан Жак де Меран описал движение листьев у растений, сохранявшееся в полной темноте. В 1930-х годах немецкий биолог Эрвин Бюннинг сформулировал представление о внутренних часах, а термин «циркадианный» предложил в 1959 году Франц Халберг.

Крупный прорыв произошёл в 1970–1980-х годах, когда у плодовой мушки дрозофилы были обнаружены гены периода (period). В 2017 году Джеффри Холл, Майкл Росбаш и Майкл Янг получили Нобелевскую премию по физиологии и медицине за открытие молекулярных механизмов циркадианного ритма.

¶Молекулярный механизм

В основе биочасов лежат петли обратной связи в экспрессии генов. Белки CLOCK и BMAL1 образуют комплекс, который запускает транскрипцию генов period и timeless. Накопленные белки PER и TIM подавляют активность CLOCK–BMAL1, создавая колебание с периодом около суток. Дополнительные гены (cryptochrome, doubletime) уточняют и стабилизируют цикл.

У млекопитающих центральный водитель ритма расположен в супрахиазматическом ядре гипоталамуса — скоплении примерно 20 тысяч нейронов. Оно получает сигнал о свете от сетчатки глаза по ретиногипоталамическому тракту и синхронизирует периферические часы, имеющиеся практически в каждой клетке организма.

¶Синхронизация и внешние факторы

Главный внешний синхронизатор (zeitgeber) для человека — свет. Дополнительно ритм настраивают:

• режим питания и время приёмов пищи;
• физическая активность;
• социальные сигналы (график работы, общение);
• температура среды.

При рассогласовании внутреннего ритма и внешних условий возникает десинхроноз. Он проявляется при перелётах через несколько часовых поясов (джетлаг), при сменной работе, а также при переходе на летнее время.

¶Типы хронотипов

Индивидуальные различия в фазе биочасов описывают через хронотипы:

Хронотип определяется сочетанием генетики, возраста и образа жизни. У подростков фаза ритма физиологически смещается к более позднему времени.

¶Влияние на здоровье

Хроническое нарушение циркадианных ритмов связывают с повышенным риском ряда состояний: метаболического синдрома, ожирения, сердечно-сосудистых заболеваний, нарушений настроения. Сменная работа с ночными сменами рассматривается как фактор риска, поскольку она постоянно противодействует естественному ритму.

Биочасы влияют и на эффективность лекарств — направление хронофармакологии изучает, как время приёма препарата меняет его действие. Аналогично хронотерапия учитывает ритмы при лечении заболеваний.

¶Методы оценки

Для измерения индивидуальных ритмов применяют:

• актиграфию — регистрацию двигательной активности с помощью носимых датчиков;
• полисомнографию — оценку фаз сна;
• анализ уровня мелатонина и кортизола в слюне или крови;
• опросники для определения хронотипа.

Показатель фазы ритма — время начала секреции мелатонина в условиях слабого освещения (DLMO).

¶Практические аспекты

Для поддержания стабильного ритма рекомендуют регулярное время подъёма и отхода ко сну, утренний яркий свет, ограничение ярких экранов вечером, приём пищи в дневные часы. При джетлаге применяют дозированное освещение и, по назначению врача, препараты мелатонина.

Биочасы обнаружены у всех изученных организмов — от бактерий и грибов до растений и млекопитающих, что указывает на их фундаментальную роль в приспособлении жизни к вращению Земли.