Циркадные ритмы: что это такое и как они влияют на нашу жизнь

Как наши «внутренние часы» работают, и как они влияют на нас, рассказываем.

От природы мы получили внутренний механизм, который регулирует многие процессы в нашем организме, “говорит” когда проснуться или пойти спать. Именно он отвечает за вашу активность и продуктивность в течении дня. Этот механизм научно называют — циркадные (циркадианные) ритмы.

Что такое циркадные ритмы?

Британский нейробиолог, специалист по циркадным ритмам Рассел Фостер (Russel Foster) дает такое определение.

Циркадные ритмы — это внутренние биологические ритмы организма с периодом около 24 часов. Они настраивают все физиологические процессы организма в соответствии с суточным вращением Земли.

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

Биологические часы и циркадные ритмы не совсем одно и то же.

Биологические часы – главный регулятор, который контролирует циркадные ритмы. Они состоят из примерно 20 000 нервных клеток в гипоталамусной части головного мозга, называемой супрахиазматическим ядром.

От клеток сетчатки глаза супрахиазматическое ядро получает информацию о свете, настраивает находящиеся в нём нейроны, а они уже посылают сигналы, согласовывающие работу всех остальных процессов в организме.

Биологические часы, например, могут пострадать от изменений окружающей среды, и именно это будет заставлять циркадные ритмы меняться.

Чтобы от циркадных часов была польза, они должны быть синхронизированы с биологическими часами, а те в свою очередь с сигналами окружающей среды. Самый очевидный пример расхождения между биологическими часами и внешними факторами — джетлаг.

Джетлаг — явление несовпадения ритма человека с дневным ритмом, вызванное ночной работой, переходом на летнее время или быстрой сменой часовых поясов при перелёте на самолёте.

После длительных перелетов, смены часовых поясов, нам приходится адаптироваться своими биологическими часами к местному времени. Клетки сетчатки глаза улавливают изменения в цикле чередования света и темноты и посылают сигналы подогнать биологические часы организма в соответствии с внешними переменами. Такая синхронизация часов и ритма обеспечивает правильную работу всех клеточных процессов.

Как циркадные ритмы влияют на организм?

Влияние циркадных ритмов на организм не ограничивается только сном и пробуждением, они влияют на работу гормонов, сердца, пищеварение, иммунитет, температуру тела.

В темное время суток, при отсутствии солнечного света повышается мелатонин (уже известный нам гормон регулирующий сон), это приводит к естественному состоянию сонливости. Когда за окном светло, организм вырабатывает серотонин, мы бодры и активны.

В 2017 году Нобелевскую премию по физиологии и медицине получили американские биологи Джеффри Холл, Майкл Росбаш и Майкл Янг за коллективное исследование молекулярных механизмов регулирования циркадных ритмов.

Эксперимент на плодовых мушках позволил ученым определить ген, который поддерживает нормальный суточный ритм. Его назвали PER (period). Он кодирует белок, который накапливается в клетках в течение ночи, а затем расщепляется в течение дня.

Пока белок PER находится в клетке, он блокирует свой собственный синтез и таким образом запускает цикличную реакцию. Всё отлично — но как PER изначально оказывается в клетке?
Ответ на этот вопрос тоже был найден. Ученые выяснили, что есть и другие белки, которые участвуют в регуляции циркадных ритмов. Один из них назвали TIM (timeless) — он кодирует белок, который связывается с TIM и помогает ему попасть в клетки. Другой ген — DBT (doubletime) — кодирует белок, которые задерживает накапливание белка PER.

Как проявляются циркадные ритмы

Биологические часы человека в течение дня управляют процессами в организме, определяют уровень работоспособности и физической активности. На протяжении 24 часов изменяются температура тела, обмен веществ, концентрация некоторых гормонов.

В среднем физическая активность достигает максимума в 11 утра и 7 вечера, а умственная к 9 утра и к 9 вечера.

Жаворонки или совы?

По тому как распределяется время активности и спада в течение дня, людей условно делят на три хронотипа. Это известные «жаворонки», «совы» и «голуби». «Жаворонки» легко встают рано утром и активны в первой половине дня. «Совы» самостоятельно пробуждаются поздно, в 9–10 часов утра; их пики активности приходятся на вечернее и ночное время. «Голуби» — промежуточный тип между «жаворонками» и «совами».

Основные свойства циркадных ритмов

Циркадные ритмы сохраняются при условиях изоляции света или темноты.

Это было обнаружено в результате эксперимента, проведённого в 1729 году французским ученым Жан-Жаком де Мераном. Он поместил растение в темное 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.

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 ритмы не смогли бы определять время.

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 заранее настраивать процессы, принимая во внимание предсказуемые изменения окружающей среды. Например, за три часа до рассвета, организм начинает ускорять обмен веществ, повышать 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.

Понимание принципов работы циркадных ритмов позволит регулировать сон, питание, обмен веществ и улучшить качество жизни.