Основные биологические ритмы – циркадианные (околосуточные) и цирканнуальные (годичные) – связаны с изменением освещенности
Как легко заметить, большинство ритмов зависит от Солнца, т. е. главным образом от изменения освещенности. Именно ее колебания задают значение периода, с которым колеблются все функции нашего организма.
Едва ли не единственным ритмом, который не зависит от космической активности, является менструальный цикл. Впервые это было обнаружено в ходе длительных экспедиций в подземные пещеры. Если у спелеологов нет часов и отсутствует связь с поверхностью земли, то субъективный суточный ритм, определяемый циклом сна и бодрствования, начинает постепенно удлиняться. Однако менструальный цикл у женщин по-прежнему сохраняет свою длительность.
Менструальный цикл не связан ни с Солнцем, ни с Луной, ни с каким-либо космическим ритмом
В дальнейшем эти наблюдения были подтверждены в условиях лабораторного эксперимента с изоляцией испытуемых от внешнего мира. Таким образом, механизм менструального цикла является полностью эндогенным, т. е. не имеющим внешнего водителя ритма. Из-за крайней сложности механизмов, участвующих в менструальном цикле, мы не будем здесь их рассматривать[435].
Суточные и сезонные ритмы
Биологический смысл суточных ритмов очевиден. Он состоит в том, чтобы максимальная активность проявлялась в определенное время суток, наиболее благоприятное для деятельности данного организма и функционирования данной системы. Кроме того, суточные ритмы позволяют живым организмам «отсчитывать» время, т. е. выполняют функцию «внутренних часов».
Суточное изменение активности гипоталамуса, гипофиза и эпифиза ведет к суточным колебаниям активности всех периферических желез. Максимумы их секреторной активности, как правило, несколько запаздывают по отношению к секреции соответствующих гипофизарных гормонов. Так, пик секреции АКТГ приходится на вторую половину ночи, а максимум секреции кортизола – на раннее утро, т. е. на те часы, которые непосредственно предшествуют пробуждению. Такой характер секреции кортизола (и других кортикостероидов) создает условия для высокой работоспособности организма человека сразу после пробуждения. У животных, ведущих ночной и сумеречный образ жизни, например у большинства грызунов, максимум секреции кортикостероидов приходится на вечерние часы.
У человека максимум секреции гормонов щитовидной железы приходится на вторую половину ночного сна. Это обеспечивает высокий уровень метаболизма во всех клетках к моменту пробуждения. Гормон роста, который секретируется в гипофизе, наиболее активно выделяется в кровь в первой половине ночи. Он, как следует из названия, стимулирует процессы роста, в частности белкового синтеза, а также дифференцировки и формирования тканей. Состояние физического покоя во сне наиболее благоприятно для этих процессов.
Максимальная активность многих эндокринных систем приурочена к утреннему пробуждению
Поэтому правильный режим сна особенно важен для детей, у которых процессы роста и дифференцировки идут наиболее интенсивно. Во время бодрствования особенно высока активность мозгового слоя надпочечников.
Циркадианная ритмическая активность эндокринных функций может существенно меняться под влиянием внешних факторов, таких как интенсивность физических и психических нагрузок, диета, перемещение по часовым поясам. При перелетах на большие расстояния происходит рассогласование внутренних суточных ритмов и условий освещенности в новом месте пребывания с местным поясным временем. Такое рассогласование приводит к снижению работоспособности, повышению утомляемости и чувству дискомфорта. В эксперименте было установлено, что искусственный ритм сна-бодрствования не в 24, а в 23,5 часа отрицательно сказывается на самочувствии человека[436].
Учет циркадианных ритмов важен при приеме лекарственных препаратов, особенно если это связано с эндокринной системой. Так, АКТГ, назначаемый с целью стимуляции секреторной функции коры надпочечников, наиболее целесообразно вводить в вечерние и ранние ночные часы. В это время секреция глюкокортикоидов снижена, поэтому реакция на АКТГ высока, тогда как в утренние часы, т. е. во время акрофазы секреции глюкокортикоидов, реактивность коры надпочечников к действию АКТГ низка. Если лечение проводится самими глюкокортикоидами, то оптимальным временем для их введения в организм будут утренние часы – в это время максимальна чувствительность тканей к этим гормонам, поскольку количество и функциональное состояние внутриклеточных гормональных рецепторов также изменяется в течение суток.
Хорошо известны и цирканнуальные, в частности сезонные, ритмы эндокринных функций. Зимой увеличена активность мозгового слоя надпочечников, т. е. секреция адреналина, так же как и активность системы «тиреолиберин-тиреотропин-гормоны щитовидной железы». Высокое содержание адреналина и гормонов щитовидной железы усиливает энергетический обмен, т. е. увеличивает теплопродукцию, что очевидным образом целесообразно в условиях пониженной температуры окружающей среды. Летом, когда, напротив, температура окружающей среды повышена, увеличивается секреция вазопрессина. Напомним, что другое его название – антидиуретический гормон, т. е. гормон, уменьшающий образование и выделение мочи. Это функциональное изменение предохраняет организм от лишних потерь воды и обезвоживания.
У животных четко выражена сезонность репродуктивных процессов. В основе этого лежит цирканнуальная ритмика синтеза и секреции гонадолиберина, которые стимулируют секрецию гонадотропинов гипофизом, а те, в свою очередь, стимулируют продукцию периферических половых гормонов и половых клеток. У человека нет выраженной сезонной ритмики репродуктивной активности, поскольку его половая жизнь регулируется в большей степени социальными, чем метеорологическими факторами. Однако секреция гонадолиберина под воздействием изменяющейся длины светового дня (см. следующий раздел) меняется в течение года так же, как и у животных, – возрастает весной и снижается осенью. Это отражается не только в возрастании полового влечения весной и ее снижении осенью, но и в сезонных колебаниях аффекта (см. главу 5). По всей вероятности, сезонные колебания либидо обусловлены не только активацией системы «гонадолиберин-гонадотропины-периферические половые гормоны», а еще и психотропным действием гонадолиберина путем прямого воздействия на ЦНС. Напомним, что гонадолиберин обладает антидепрессивным действием и вызываемое им эйфорическое состояние усиливает половую активность.
Мелатонин и суточные ритмы
Циркадианные и цирканнуальные ритмы живых организмов основаны на восприятии животными колебаний освещенности, вызванных вращением Земли и ее движением вокруг Солнца. В преобразовании сигнала, поступающего с сетчатки глаза в гипоталамус, где находится водитель ритма всего организма, важнейшую роль играют гормоны эпифиза.
Эпифиз, получая сигналы непосредственно от сетчатки глаза, уменьшает синтез и секрецию мелатонина – основного гуморального регулятора суточной и годичной ритмики
Эпифиз – это маленькая (100–200 мг) железа, которая лежит над четверохолмием головного мозга. Его секреты функционируют как местные гормоны (распространяющиеся в прилегающих тканях путем диффузии), как традиционные, т. е. распространяющиеся с системным кровотоком, и как гормоны спинномозговой жидкости. Мелатонин, помимо регуляции ритмов, тормозит половую функцию и контролирует обмен темного пигмента меланина. Серотонин стимулирует секрецию АКТГ и пролактина, усиливает воспаление.
Особенностью регуляции функций эпифиза служит прямая связь с гипоталамическими ядрами, непосредственно связанными с сетчаткой. Секреция эпифизарных гормонов усиливается в темноте. Помимо нервной регуляции, многообразные гуморальные влияния на эпифиз оказывают вещества, содержащиеся в спинномозговой жидкости.
Схема центральных механизмов регуляции ритмов организма приведена на рис. 9.1. Центральную роль в организации всех ритмов играет супрахиазматическое ядро гипоталамуса. Оно воспринимает сигналы от сетчатки глаза и имеет собственный водитель ритма (пейсмейкер). Таким образом, ритм сигналов пейсмейкера обусловлен и собственной, внутренней активностью, и информацией, поступающей в это ядро извне.
Рис. 9.1. Организация суточной ритмики физиологических процессов
СХЯ – супрахиазматическое ядро гипоталамуса, ВМЯ – вентромедиальное ядро гипоталамуса, ПВЯ – паравентрикулярное ядро гипоталамуса
