Какие типы биологических ритмов выявлено у человека: определение и классификация биоритмов – Российский учебник

Биологические ритмы и головной мозг человека

Протяжённость светового дня отражают определённые образования в головном мозге. Эпифиз является главной структурой мозга, реагирующей на изменение длительности светового дня. Речь идёт об эндокринной железе, относящейся к неврогенной группе. Место её расположения — третий желудочек головного мозга. Сигнал о том, что освещённость изменилась, поступает от глазной сетчатки через ретиногипоталамический тракт к эпифизу. Когда темно, в нашем организме происходит интенсивная выработка гормона — мелатонина, а когда светло, его выработка прекращается.

Однако синтез мелатонина может быть подвержен серьёзным изменениям — например, если на нас влияет посторонний предмет, постоянно излучающий свет. Это может быть:

• экран гаджета;
• фонарь за окном;
• яркое освещение в комнате.

Всё это может привести к нарушению биологических ритмов под общепринятым названием «день-ночь».

Эксперимент над мышами

Исследователи выявили наличие закономерности между изменениями освещения и преждевременными процессами старения у мышей. Учёные разделили животных на три группы:

• первую поместили в условия, где день и ночь чередовались нормально;
• вторую поместили в условия, где освещение было постоянным;
• третью поместили в условия полной темноты.

Раньше начали стареть мыши, находившиеся при постоянном свете, а что касается тех животных, которые находились без света, они начали отставать в своём возрастном развитии. Именно так исследователи выяснили, что если световой день будет нарушен, это оказывает неблагоприятное влияние на живые организмы.

Итак, когда световой день нарушен, происходят следующие неблагоприятные изменения:

• преждевременное старение;
• сердечно-сосудистые болезни;
• серьёзные обменные нарушения.

В Москве, Лондоне, Токио и Париже наблюдается изобилие искусственного освещения, что автоматически ставит человека в условия пребывания второй группы подопытных мышей. На здоровье людей искусственное освещение в большом количестве отражается самым пагубным образом.

О внутренних ритмах и их роли в жизни людей

Кроме ритма, задаваемого световым днём, существуют ещё и внутренние ритмы, складывающиеся из процессов, происходящих согласно внутренним закономерностям. При этом внешние факторы не играют роли. Место «расположения» внутренних часов — супрахиазматические ядра в гипоталамусе, время от времени воспроизводящие электрические импульсы. Именно эти импульсы отвечают за синхронизацию многих процессов в организме. Известна прямая зависимость внутренних часов от белкового синтеза, задающего такую периодичность.

Существует такое понятие как джетлаг — расстройство, симптомами которого являются разбитость, сонливость и вялость. После того как человек совершил перелёт на самолёте на дальний рейс. Суть расстройства заключается в рассогласовании внутренних ритмов и работы эпифиза. Иными словами, внутренние ритмы дают команду человеку спать, но поскольку он оказывается в другом световом поясе, там уже начинается новый световой день.

Подведение итогов

Биологические ритмы сильно влияют на наш организм, поэтому нарушение светового дня может пагубно сказаться на его работе в целом. Как и в древние времена, биоритмы влияют на нас — и лучше не нарушать их влияние, чтобы надолго сохранить здоровье и бодрость духа.

Нравится материал?

Ваша почта

Я согласен с политикой конфиденциальности

Суточные (циркадные) ритмы • Джеймс Трефил, энциклопедия «Двести законов мироздания»

Сергей Архипов  15.03.2007  23:15 Ответить

Тема очень интересная.

С моей точки зрения суточные ритмы у человека и животных синхронизированы с колебанием гравитации в конкретной точке земного шара. Данные колебания обусловлены вращением Земли, влиянием Луны и Солнца и практически постоянны на протяжении тысячелетий.
Естественно амплитуда колебаний не велика, но существенна для клеток. Их биохимический аппарат и мембраны способны реагировать на изменения гравитации. Периодическое изменение гравитации является своего рода вводителем ритма каскадов биологических процессов в живых системах.
Да, ‘биологические часы’ внутри нас, но их ‘маятником’ является суточные гравитационные колебания, с которыми синхронизированы значительное число биологических процессов. Их совокупность обуславливает существование биоритмов. Перемещение живой системы в иную точку на земной поверхности приводит к диссинхронизации колебания гравитационного поля и ритмичности биологических процессов. Применительно к человеку физиологические, биохимические и субъективные проявления этого общеизвестны. Подробнее см. http://www.enet.ru/~archipov

Известны ли кому близкие точки зрения?

Ответить

Время нашей жизни

Отправляйтесь в путешествие по красным глазам из Калифорнии в Нью-Йорк, и вы воочию ощутите воздействие внутренних органов вашего тела. Часы. Если после полета вы чувствуете сонливость или чувствуете «синдром смены часовых поясов», это происходит из-за нарушения вашего естественного ритма жизни. циркадные ритмы. Ваши внутренние часы показывают 3 часа ночи, но снаружи пора завтракать.

Живые организмы развили внутренние биологические часы, называемые циркадными ритмами, чтобы помочь их телам адаптироваться к суточный цикл дня и ночи (светлая и темная), поскольку Земля вращается каждые 24 часа. Термин «циркадный» происходит от Латинские слова примерно (около) дня (diem).

Циркадные ритмы контролируются «часовыми генами», кодирующими часовые белки. Уровни этих белков поднимаются и опускаются в ритмическом порядке. Эти колеблющиеся биохимические сигналы контролируют различные функции, в том числе когда мы спим и отдыхаем, и когда мы бодрствуем и активны. Циркадные ритмы также контролируют температуру тела. сердечной деятельности, секреции гормонов, кровяном давлении, потреблении кислорода, обмене веществ и многих других функциях.

Суточные циклы также регулируют уровни веществ в нашей крови, включая эритроциты, сахар в крови, газы, и ионы, такие как калий и натрий. Наши внутренние часы могут даже влиять на наше настроение, особенно в форме зимней депрессии, известной как сезонное аффективное расстройство (САР).

Биологические часы состоят из трех частей: способ получения данных о свете, температуре или других данных из окружающей среды; белок и химические вещества, из которых состоят сами часы; и компоненты, помогающие часам контролировать активность других генов.

В последние несколько десятилетий ученые открыли гены, контролирующие внутренние часы: период (per) , часы (clk) , цикл (cyc) , вневременные (tim) , частота (frq) , doubletime (dbt) и другие. Часовые гены были обнаружены у различных организмов, от людей до мышей, рыб, плодовых мушек, растений, плесени и даже одноклеточных цианобактерий.

Где главные часы тела?

Главные циркадные часы, которые регулируют 24-часовые циклы в нашем теле, находятся в области, называемой супрахиазматические ядра (СХЯ) в гипоталамусе головного мозга. SCN состоит из двух крошечных кластеров из нескольких тысячи нервных клеток, которые «узнают время» на основе внешних сигналов, таких как свет и темнота. SCN регулирует сон, обмен веществ и выработка гормонов.

Насколько важен SCN? При удалении СХЯ крысы нарушается ее суточный цикл активности и сна. SCN по-прежнему производит ритмичные химические сигналы даже за пределами мозга животного.

Считается, что SCN синхронизирует «местные» часы, которые находятся в органах и тканях по всему телу, либо посредством гормонов или изменения температуры тела. Локальные часы, управляемые генами, независимые от главного водителя ритма мозга, были обнаружены в печень, легкие, яички, соединительная ткань и мышцы.

Одним из примеров местных часов являются плодовые мушки. Клетки в их антеннах демонстрируют циркадный ритм. не зависит от главных часов мозга. Колебания антенн коррелируют с обонянием, которое в большей степени чувствительнее ночью, чем днем.

Область супрахиазматических ядер (СХЯ) расположена в гипоталамусе головного мозга. SCN посылает сигналы по всему телу в ответ на темноту и свет.

Сколько часов в биологических часах?

Человеческий циркадный ритм составляет не 24 часа на 10-20 минут дольше. Другие виды имеют циркадные ритмы от 22 до 28 часов. Биологические часы продолжают работать, даже когда организмы удалены от естественного света. Без дневного света биологические часы будут продолжать идти в своем естественном цикле. Но как только утренний свет ударит в глаза, часы переустановятся, чтобы соответствовать земным 24-часовой день.

Почему внутренние часы организмов не идут ровно 24 часа? Компьютерное моделирование предполагает соревнование за пищевые и другие ресурсы наиболее интенсивны среди видов с 24-часовыми циклами. Если вы едите одновременно со всеми иначе у вас меньше шансов получить свою долю. Наши слегка рассинхронизированные внутренние часы, возможно, эволюционировали, чтобы помочь нам выжить в конкурентной борьбе.

Биологические часы также играют роль в более длительных циклах, таких как спячка, миграции и даже ежегодные изменения по шерсти и окрасу. Когда мозг животного регистрирует более длинные дни весной и более короткие дни весной осенью он запускает секрецию гормонов, влияющих на эти события.

Циркадные часы в мозгу хомяка сигнализируют об изменении окраски шерсти в зависимости от времени года, выделяя гормон мелатонин.

Как работают часовые гены?

Часовые гены представляют собой наборы инструкций, которые кодируют часовые белки. Гены и белки взаимодействуют друг с другом, вызывают суточные колебания уровня белка. Центральный игрок — на ген , который кодирует белок PER. Уровни PER самые высокие ранним вечером и самые низкие в начале дня.

У плодовых мушек продукты генов clk и cyc совместно активируют гены per и tim поэтому они производят белки. Эти белки, PER и TIM, затем объединяются и медленно накапливаются в ядре клетки, где они замедляют гены clk и cyc , что, в свою очередь, деактивирует на и на и останавливается дальнейшая продукция белков PER и TIM. По мере уменьшения PER и TIM в действие вступают clk и cyc . снова, начиная новый суточный цикл.

Цикл немного сложнее у млекопитающих, у которых clk работает с геном Bmal1 вместо с цикл . Кроме того, у млекопитающих есть три версии гена Per .

Другие гены часов также играют роль. У плодовой мухи 9Ген 0013 dbt кодирует белок, который помогает расщеплять белок PER, чтобы поддерживать его на нужном уровне в определенное время суток. Ген с именем pdf для белок, диспергирующий пигмент, кодирует белок, который, по-видимому, сообщает остальной части тела мухи, который час соответствует к главным часам в его мозгу.

Как часовые гены влияют на сон?

В 2001 году ученые из Университета штата Юта открыли первый человеческий ген часов. Они нашли его во время изучения редкое наследственное заболевание, при котором люди рано засыпают и спонтанно просыпаются за несколько часов до рассвета. Часовые гены обычно не дают нам спать днем ​​и спать ночью. Но этот часовой ген изменен таким образом, что нарушает нормальный цикл сна.

Этот наследственный характер сна, известный как «семейный синдром продвинутой фазы сна» (FASPS), был связан с вариацией в гене hPer2 . Люди с FASP — «утренние жаворонки», которые обычно засыпают к 7 часам вечера и просыпаются около 2 часов ночи. Другое состояние сна, называемое «синдромом отсроченной фазы сна», имеет противоположный эффект, превращая страдающих им людей в экстремальных полуночников. Они засыпают очень поздно и с трудом просыпаются утром. Синдром отсроченной фазы сна был связан с изменением ген hPer3 .

Любой студент, который учился в течение всей ночи, знает, что циркадные часы не являются единственным фактором, влияющим на сон. Наша потребность во сне тоже играет роль. Когда крысы бодрствуют и бдительны, главные часы их мозга более активны. Когда крыс лишают сна, их основные часы не реагируют нормально.

Солнечный свет каждый день сбрасывает внутренние биологические часы, синхронизируя их с 24-часовым сутками. Если вы жили в подземный бункер с постоянным искусственным освещением, вы бы продолжали примерно 24-часовой режим сна-бодрствования. шаблон, но поскольку он длится не ровно 24 часа, ваш цикл будет постепенно смещаться по фазе с фактическим дневным и ночным временем.

Воздушное путешествие в отдаленный часовой пояс также может нарушить нормальные циклы. Возникающая в результате смена часовых поясов является одновременно разрывом между местными время и время вашего тела, а также разрыв между главными часами вашего мозга и локальными часами в тканях по всему телу. тело. Как только вы прибудете в пункт назначения, изменение светового дня «затянет» или сбросит ваши внутренние часы, но потребуется несколько дней, чтобы избавиться от смены часовых поясов.

Какие последствия для здоровья имеют часовые гены?

Точное понимание того, как работают гены часов, может помочь ученым разработать новые лекарства, которые корректируют или перезагружают человеческий организм. биологические часы для лечения негативных последствий смены часовых поясов, работы в ночную смену или зимней депрессии. Часовые гены могут также дают ключ к разгадке нарушений сна, таких как нарколепсия, из-за которой люди чувствуют сонливость в течение дня.

Наши внутренние часы контролируют уровень гормонов, которые могут влиять на то, как наш организм реагирует на определенные лекарства. Лучшее знание циркадных ритмов может повысить эффективность лекарств, определяя лучшее время для их приема.

Свет используется для лечения людей с сезонным аффективным расстройством, формой депрессии, которая проявляется в течение более короткого периода времени. дни зимы. Некоторые исследования показывают, что световая терапия более эффективна, если она синхронизирована с внутренними органами пациента. часы, поэтому некоторых пациентов лечат воздействием яркого света рано утром. Яркий свет также имеет используется, чтобы помочь людям приспособиться к смене часовых поясов и смене рабочих смен.

Часовые гены могут когда-нибудь помочь ученым лечить рак. Известно, по крайней мере, восемь часовых генов, которые координируют нормальные функции, такие как пролиферация клеток (которая не контролируется при раке) и самоубийство клеток (которое не происходит при раке). опухолевые клетки). Одно исследование показало, что без гена mPer2 мышиные клетки с поврежденной ДНК становятся раковыми, а не совершить клеточное самоубийство. Если часовые гены действительно играют роль в развитии рака, они могут стать мишенью для новых лекарств. может нарушить «часы», чтобы остановить рак.

Старение может нарушить синхронизацию локальных часов по всему телу и их синхронизацию с мозгом мастер-хронометрист. Одно исследование показало, что электрическая активность во внутренних часах стареющих крыс не была такой регулярной. как и более молодые крысы, так и стареющие крысы делали то, что часто делают пожилые люди: дремали днем.

Как свет сбрасывает биологические часы?

Только в последние годы ученые начали понимать, как суточный цикл дня и ночи передается от глаза к главным часам в мозгу.

Палочки и колбочки в сетчатке глаза обнаруживают свет и формируют зрительные образы. На протяжении многих лет ученые считали наши циркадные часы были сброшены с помощью родопсина, светочувствительного белка в палочках и колбочках. Но исследователи недавно обнаружили доказательства существования отдельной системы обнаружения света в глазу. Они считают, что это датчики общая яркость, чтобы помочь сбросить наши внутренние часы.

Эта недавно обнаруженная система может объяснить, почему некоторые слепые люди и мыши, у которых отсутствуют палочки и колбочки, все еще могут сбрасывать свои внутренние часы и регулируют их биологические ритмы. Белок меланопсин чувствителен к синему свету. имеет решающее значение для системы определения яркости. Ученые считают, что небольшая часть светочувствительной части глаза «ганглиозные клетки сетчатки» содержат меланопсин и передают сигналы главным часам мозга.

А как насчет часовых генов у растений?

Растения используют свои циркадные часы для определения продолжительности дня. Когда их часы определяют более короткие осенние дни, они подают сигнал растению производить семена и сбрасывают листья. Когда весенние часы показывают более длинные дни, растения выращивают цветы или плоды. Биологические часы также помогите растениям подготовиться к восходу солнца, подняв листья и подготовившись к фотосинтезу, чтобы преобразовать солнечный свет в еда. А внутренние часы играют роль в открытии и закрытии пор листа и сворачивании листьев в ночное время, чтобы предотвратить потеря воды.

Некоторые исследователи обнаружили доказательства того, что растения могут иметь два внутренних часа: одни чувствительны к свету, а другие чувствительны к температуре. Были идентифицированы гены, которые кодируют белки, обнаруживающие солнечный свет и отправляющие информацию о длине дня внутренние часы растения и отсрочить цветение до тех пор, пока дни не станут достаточно длинными.

Научившись манипулировать генетическими часами растений, ученые смогут сделать урожай более продуктивным, более устойчивы к стрессовым условиям и способны лучше расти в более широком диапазоне условий.

Формат APA:

Учебный центр генетических наук. (2016, 1 марта) Время нашей жизни. Получено 1 февраля 2023 г. с https://learn.genetics.utah.edu/content/basics/clockgenes

Формат CSE:

The Time of Our Lives [Интернет]. Солт-Лейк-Сити (Юта): Учебный центр генетических наук; 2016 [цитировано 1 февраля 2023 г.] Доступно по адресу https://learn.genetics.utah.edu/content/basics/clockgenes

Чикаго, формат:

Центр обучения генетическим наукам. «Время нашей жизни.» Узнайте.Генетика. 1 марта 2016 г. По состоянию на 1 февраля 2023 г. https://learn.genetics.utah.edu/content/basics/clockgenes.

Время решает все: циркадные часы задают ритм жизнедеятельности бактерий

В 1938 году исследователи сна из Чикагского университета Натаниэль Клейтман, доктор философии, и Брюс Ричардсон, экспериментируя на себе, стали первыми, кто продемонстрировал, что у людей есть внутренний циркадный ритм.

В течение шести недель они жили в Мамонтовой пещере Кентукки в полной темноте. Несмотря на то, что у них не было внешних сигналов, таких как солнечный свет или температура, которые могли бы сказать им, который сейчас час, их повседневная активность не превратилась в хаос. Вместо этого исследователи спали примерно одинаковое количество времени и просыпались примерно в одно и то же время каждый день, как и вне пещеры. Они продемонстрировали, что модели человеческой деятельности не полностью зависят от восхода и захода солнца, но что некий внутренний процесс определяет, когда мы спим и как долго бодрствуем.

Сегодня ученые понимают, что наша биология генерирует циркадные ритмы, которые направляют нашу активность и сон в соответствии со светлым и темным временем дня, даже когда эти внешние сигналы о свете и темноте отсутствуют. Мы также знаем, что эти ритмы очень важны для здоровья человека. Посменные рабочие, у которых неустойчивый график, не позволяющий им спать и просыпаться в одно и то же время, имеют более высокий риск развития сердечно-сосудистых заболеваний, гипертонии и некоторых видов рака.

Циркадные ритмы были обнаружены у бесчисленного множества видов всех категорий жизни, от людей до птиц, от бабочек до цветущих растений и даже у крошечных одноклеточных микроорганизмов. Координируя свои повседневные модели активности с циклом дня и ночи, циркадные ритмы помогают всем этим видам выживать более успешно.

Я работаю аспирантом-исследователем Чикагского университета в лаборатории Майкла Раста, доктора философии, доцента кафедры молекулярной генетики и клеточной биологии. Я изучаю механизмы, лежащие в основе циркадных ритмов цианобактерий, типа фотосинтезирующих бактерий, обитающих в океанах и озерах. Как и растения, цианобактерии используют фотосинтез для получения солнечной энергии и, таким образом, извлекают выгоду из наличия циркадных ритмов, чтобы отслеживать, в какую часть 24-часового дня они могут рассчитывать на легкий доступ к поддерживающему жизнь солнечному свету, а когда им придется обходиться без него. этот источник энергии в темноте.

Чтобы быть эффективными, циркадные ритмы цианобактерий должны быть связаны с различными физиологическими процессами, происходящими внутри них, такими как метаболизм и деление клеток. Но наше понимание того, что регулируют циркадные ритмы и как они это делают, неполно. Моя дипломная работа направлена ​​на то, чтобы понять, как циркадные ритмы регулируют изменения растворимости белка в зависимости от времени суток.

Может возникнуть вопрос, почему мы изучаем циркадные ритмы у цианобактерий, а не у людей или других животных. Причина в том, что циркадные ритмы у цианобактерий генерируются относительно простым набором компонентов, которые можно изучать и исследовать способами, недоступными при изучении других организмов. Вы можете представить цианобактериальные «циркадные часы» аналогом аналоговых наручных часов, которые можно снять и разобрать. С другой стороны, циркадные часы других организмов, таких как люди, мыши или мухи, больше похожи на часы на вашем телефоне или ноутбуке, которые глубоко интегрированы в их системы, и их было бы трудно удалить без фундаментального изменения часов или окружающую его систему.

Одна из целей моего исследования — понять, как и почему определенные белки переходят из растворимого состояния в нерастворимое и обратно, и как именно этот процесс регулируется суточными часами. Предыдущая работа, проведенная в нашей лаборатории, показала, что циркадные ритмы цианобактерий влияют на растворимость белка, в результате чего некоторые белки становятся более растворимыми в дневное время и менее растворимыми в ночное время. Когда белки растворимы, они растворяются в жидкости внутри клетки, но когда они нерастворимы, они имеют тенденцию конденсироваться вместе с другими белками и/или другим содержимым клетки.

Недавно моя работа была сосредоточена на белке под названием KidA (да, альбом Radiohead, возможно, вдохновил меня на это название), который взаимодействует с белками, генерирующими циркадные ритмы, также известными как KaiA, KaiB и KaiC. Результаты предыдущего исследования в нашей лаборатории показали, что KidA меняет свою растворимость в зависимости от дня и ночи, и я хочу выяснить, как и почему это происходит. Нужно ли KidA связываться с белками циркадных часов, чтобы изменить его растворимость? Если мы предотвратим связывание KidA с часовыми белками, изменит ли это или устранит ритм растворимости KidA? И если мы будем выращивать клетки только на свету, а не чередовать свет и темноту, будет ли КидА при этом все равно становиться нерастворимым?

Чтобы начать отвечать на эти вопросы, я использую покадровую флуоресцентную микроскопию для изображения цианобактерий, которые производят множество копий белка KidA с прикрепленной флуоресцентной меткой. Мы можем видеть, когда KidA менее растворим, потому что он будет собираться вместе в небольших точках, которые мы называем точками. Эти точки собираются и расходятся в течение цикла свет-темнота.

Мои следующие шаги — посмотреть, что произойдет, если KidA все еще образует puncta, когда я держу свет круглосуточно, или если я мутирую гены цианобактерий, чтобы стереть их циркадные часы. В каждом из этих случаев мы можем видеть, как KidA образует точки с разным временем в течение 24 часов, или KidA может даже вообще прекратить формирование точек. Результаты этих экспериментов расскажут нам больше о том, как циркадные часы регулируют растворимость KidA.

В дальнейшем я не только хочу знать, как некоторые белки, такие как KidA, становятся менее растворимыми ночью, я также хочу знать, какой цели служит это изменение растворимости в клетке. Возможно, эти белки становятся нерастворимыми, чтобы их «отбрасывали», когда они не нужны ночью. Или, может быть, некоторые белки сталкиваются с важными партнерами по связыванию, когда оба становятся нерастворимыми. Ответы на эти вопросы расскажут нам о конкретных способах, которыми циркадные часы влияют на физиологические процессы в цианобактериях, помогая им функционировать и выживать.

Когда Клейтман и Ричардсон обнаружили, что внутренний процесс задает ритм нашей деятельности и сна, они еще не знали, откуда взялся этот внутренний процесс и как он связан с биологией или поведением.