Хронобиология

Хронобиология (от др.-греч. χρόνος — «время») — раздел биологии, изучающий циклические процессы в биологических системах разного уровня организации. В русскоязычных публикациях также используется термин биоритмология[1].

Некоторые показатели циркадного (24-часового) биологического ритма человека

Хронобиологические исследования включают (но не ограничиваются ими) работы в области сравнительной анатомии, физиологии, генетики, молекулярной биологии и биологии поведения организмов[2]. Другие аспекты включают исследование развития, воспроизведения, экологии и эволюции видов.

Предмет исследований

С момента зарождения хронобиологии в круг интересов этой науки вошло изучение тех ритмов, которые возникли в живых существах для приспособления их жизнедеятельности к периодическим изменениям в окружающей геофизической среде. Эти биологические ритмы принято называть циркаритмами (от лат. circa «около, приблизительно»), основные среди них[3]:238[4]:

  • солнечно-суточный (циркадианный) — 24 ч;
  • лунно-суточный, или приливный (циркатидальный) — 24,8 ч;
  • лунно-месячный (циркалунарный) — 29,5 сут;
  • годичный, или сезонный (циркааннуальный).

Наибольшая доля исследований посвящена исследованию циркадианных ритмов[3]:238.

Хронобиология — это одно из немногих направлений биомедицинской науки, которые могут претендовать на статус точных наук. Одна из особенностей проведения исследований биологических ритмов, порождённая всеобщностью и разнообразием изучаемых явлений, заключается в том, что можно выбирать для экспериментов самые разные, иногда ничем друг на друга не похожие «модельные» организмы[3]:236—237. В истории хронобиологии открытия делали те исследователи, которые сочетали в своих поисках изучение биоритмов человека с экспериментами на сравнительно простых, короткоживущих организмах[3]:241.

История

В 1729 году французский астроном Жан-Жак де Меран описал периодическое движение листьев мимозы, горшочек с которой был помещён на несколько суток в тёмный шкаф. Де Меран сделал ошибочный (как оказалось позднее) вывод, что мимоза «чувствует» солнце, не видя его[3]:233.

В 1832 году швейцарский ботаник Декандоль проверил опыты де Мерана, но под тщательным контролем таких внешних воздействий, как освещённость, температура и влажность. Эксперименты показали, что период цикла движения листьев мимозы в условиях постоянного освещения был на 2 часа короче суточного. Эти результаты подтвердил в 1875 году немецкий ботаник Вильгельм Пфеффер, который на основании своих многочисленных экспериментов предположил существование в организмах собственных, не зависящих от солнца часов для отсчёта времени суток и продолжительности дня[3]:233—234.

В 1919 году бенгальский учёный-энциклопедист Джагадиш Чандра Бос в опубликованных им результатах своих исследований отметил, что период движения листьев растений при постоянном освещении или в полной темноте не равен 24 часам и подстраивается под это значение естественным чередованием света и темноты[3]:234.

В 1922 году американский психобиолог Курт Рихтер описал околосуточное изменение поведения лабораторных грызунов, отметив, что в постоянных условиях среды активность крыс сохраняет ритмичность, но период ритма становится короче 24 часов. Позднее (1965) он установил, что при разрушении гипоталамуса такой ритм нарушается[3]:235.

В 1935 году немецкий биолог Эрвин Бюннинг скрестил две линии фасоли, показавшие в постоянной темноте периоды 23 часа и 26 часов, и получил гибридное потомство с промежуточным значением периода. В 1958 году Бюннинг опубликовал книгу «Die physiologische Uhr» с описанием экспериментальных результатов, полученных им и другими учёными. Книга была переведена на другие языки, в том числе на русский под названием «Ритмы физиологических процессов (физиологические часы)» (1961)[3]:234—235.

Начало становления хронобиологии как науки связывают с симпозиумом по биологическим часам, который по инициативе одного из «отцов» хронобиологии — Колина Питтендриха — проводила Лаборатория в Колд-Спринг-Харбор в 1960 году. На симпозиуме выступили с докладами многие специалисты, исследовавшие биологические ритмы. Из примерно 150 участников 31 представлял зарубежные страны[5]. Важнейший результат симпозиума — публикация в 1961 году книги «Biological Clock», в которую были включены все зачитанные доклады и возникшие по их поводу дискуссии. Спустя три года книга была издана на русском языке под редакцией С. Э. Шноля[3]:236.

Итогом периода становления новой науки стала публикация в многотомном руководстве по нейробиологии тома «Biological rhythms» (русский перевод сделан А. М. Алпатовым в 1984 году), редактором которого стал другой «отец» хронобиологии — Юрген Ашофф. В 1964 году в организованной Ашоффом летней школе в Баварии была предпринята одна из первых попыток унификации терминов при описании биоритмологических процессов и явлений[3]:236—237.

В 1977 году по инициативе ещё одного «отца» новой науки, предложившего название «хронобиология», — Франца Халберга — был опубликован словарь хронобиологических терминов. Именно Халберг ещё 1959 году придумал слово «циркадианный», чтобы подчеркнуть особенность собственного периода ритма в живом организме, не равного в точности 24 часам. Как считает А. А. Путилов, излишне широкий, по мнению многих, термин «хронобиология» вместо, например, «биоритмология» был принят специалистами, чтобы их не отождествляли с представителями в то время популярной, но антинаучной теории «трёх биоритмов»[3]:237—238.

Халберг экспериментировал с биологическими ритмами в области медицины и физиологии человека, в то время как Питтендрих предпочитал проверять верность своих теорий и математических выкладок на таких животных, как например, плодовая мушка (дрозофила) — самый распространённый объект исследований в области генетики[5].

В 1960-е годы Мишель Сифр провёл серию экспериментов с многомесячным одиночным заточением людей в пещере без информации о текущем времени («вне времени»). Эксперименты показали сохранение примерно 24-часового суточного цикла с последующим переходом на 48-часовой. В своём первом эксперименте (1962) Сифр совместил исследование подземного ледника с изучением, как в таких неблагоприятных условиях будет изменяться представление о времени при отсутствии природных и социальных ориентиров[6]. По мнению Н. А. Гвоздецкого, исследовать ледник можно было в несколько приёмов, не подвергая себя столь длительному заточению, а подобные результаты проводимого одновременно физиологического эксперимента могли быть получены в изоляции с более комфортными условиями[7]. В последующем Сифр получил поддержку и финансовую помощь от правительства, где сошлись интересы военных и гражданских ведомств, и привлёк к проведению опытов других участников. В 1966 году при подготовке очередного эксперимента ему удалось установить контакт с Халбергом[6].

Главной основой первоначальных знаний о биоритмах человека послужили результаты сотен многодневных экспериментов по длительной изоляции человека от внешних периодических воздействий, проведённые Ашоффом в соавторстве с Рютгером Вефером в специально созданном для этой цели бункере. Однако в ходе экспериментов не было учтено, что в отличие от подопытных животных и растений, участникам разрешалось при необходимости включать тусклое освещение. Впоследствии было осознано, что такое «послабление» нарушало «чистоту» бункерных экспериментов и в итоге привело к ошибочному заключению о существенных различиях между свойствами циркадианных ритмов человека и лабораторных животных. Мнение о существенных различиях было опровергнуто позднее не только благодаря более тщательному контролю режима освещения в условиях эксперимента на людях, но и в ходе очень простых, зато необычно массовых интернет-опросов[3]:241.

Инструменты

В экспериментах по исследованию влияния различных световых режимов на биологические часы человека в настоящее время принят так называемый «протокол принудительной десинхронизации». Разработка этого метода началась в 1939 году по инициативе одного из «отцов» науки о сне — Натаниэла Клейтмана. Дальнейшее развитие метод получил в работах американских хронобиологов. В современной форме протокол принудительной десинхронизации стал широко применяться благодаря исследованию, которым руководил 1980-е годы ученик Клейтмана Charles A. Czeisler[3]:242.

Считается, что широко используемый в хронобиологии инструмент под названием «кривая фазового отклика» (PRC) впервые ввела в практику Патрисия де Курси в своей исследовательской работе в 1960 году. С тех пор он стал стандартным инструментом в изучении биологических ритмов[8].

К 2007 году ученик Ашоффа Тиль Рённеберг совместно с Мартой Мероу и группой сотрудников с помощью созданной интернет-страницы смогли быстро опросить десятки тысяч жителей Германии о времени отхода ко сну и подъёма в свободные от работы и учёбы дни. Выяснилось, что не социальные синхронизаторы, вроде времени данного часового пояса, а моменты естественного восхода и захода солнца по-прежнему остаются главными сигналами, от которых зависит время смены состояний сна и бодрствования. Например, это время постепенно и вполне предсказуемо меняется в направлении от восточной границы часового пояса к западной границе, особенно у жителей в небольших населённых пунктах[3]:241—242.

Другие области

Хронобиологи часто одновременно изучают принципиально разные по содержанию биологические процессы и явления у принципиально различных по уровню биологической организации видов живых существ. Поэтому многие области биологии и медицины в той или иной степени связаны с хронобиологическими исследованиями и в определённой степени зависимы от прогресса этих исследований[3]:236.

Хронобиология — междисциплинарная область исследований. Она взаимодействует с другими областями исследований, такими как хрономедицина, сомнология, эндокринология, гериатрия, спортивная медицина, космическая медицина и фотопериодизм[9][10][11].

Хрономедицина

Это самостоятельное медико-биологическое направление, которое базируется на хронобиологии и использует её данные для совершенствования профилактики, диагностики и лечения заболеваний[12]. Основной задачей хрономедицины является выявление и коррекция десинхроноза как одного из патогенетических факторов развития заболеваний нервной, сердечно-сосудистой, репродуктивной и эндокринной систем[13]. К разделам хрономедицины относятся хронопатология, хронофармакология, хронотерапия, хронодиагностика и хронопрофилактика[12]:

  • хронопатология изучает пути и механизмы отклонений в биоритмах и роль этих нарушений в возникновении заболеваний;
  • хронотерапия использует хронобиологические закономерности в лечении заболеваний, что обеспечивает повышение эффективности лечения, снижение дозы лекарственных препаратов и минимизацию побочных эффектов;
  • хронодиагностика использует хронобиологический подход для диагностики, прогноза течения заболевания и оценки эффективности терапии;
  • хронопрофилактика разрабатывает мероприятия и методы, направленные на предотвращение развития различных видов патологии с временным фактором[14].

Примечания
  1. БИОРИТМОЛОГИЯ • Большая российская энциклопедия - электронная версия. bigenc.ru. Дата обращения: 3 марта 2021.
  2. Patricia J. DeCoursey, Jay C. Dunlap, Jennifer J. Loros (2003). Chronobiology. Sinauer Associates Inc. ISBN 978-0-87893-149-1.
  3. Путилов А. А. Хронобиология и сон (Глава 9) // Национальное руководство памяти А. М. Вейна и Я. И. Левина. — М.: ООО «Медконгресс», 2019. — С. 235—265.
  4. БСЭ 3 изд. том 3. www.bse.uaio.ru. Дата обращения: 12 марта 2021.
  5. Путилов А. А. История хронобиологии // Коммерсантъ. (27 января 2021).
  6. Гансвинд И. Н. Мишель Сифр — исследователь времени. pdf.knigi-x.ru. Дата обращения: 6 марта 2021.
  7. Гвоздецкий Н. А. Предисловие // Сифр М. В безднах Земли. — М.: Прогресс, 1982.
  8. Zivkovic, Bora; aka «Coturnix» (2007). «Clock Tutorial #3c — Darwin On Time». A Blog Around the Clock. ScienceBlogs LLC)
  9. Postolache, Teodor T. Sports Chronobiology, An Issue of Clinics in Sports Medicine (англ.). — Saunders, 2005. — ISBN 978-1416027690.
  10. Ernest Lawrence Rossi, David Lloyd. Ultradian Rhythms in Life Processes: Inquiry into Fundamental Principles of Chronobiology and Psychobiology (англ.). — Springer-Verlag Berlin and Heidelberg GmbH & Co. K, 1992. — ISBN 978-3540197461.
  11. Hayes, D.K. Chronobiology: Its Role in Clinical Medicine, General Biology, and Agriculture (англ.). — John Wiley & Sons, 1990. — ISBN 978-0471568025.
  12. Костенко Е. В., Маневич Т. М., Разумов Н. А. Десинхроноз как один из важнейших факторов возникновения и развития цереброваскулярных заболеваний. — 2013.
  13. Зарипов А. А., Янович К. В., Потапов Р. В., Корнилова А. А. Современные представления о десинхронозе // Современные проблемы науки и образования. — 2015. — № 3.
  14. Патлина Т. В. Хрономедицина, виды десинхронозов / Тюменский государственный медицинский университет Министерства здравоохранения Российской федерации. — 2018.

Литература
  • Хронобиология и хрономедицина: Руководство / Под ред. Ф. И. Комарова. — М.: Медицина, 1989. — 400 с.
  • Комаров Ф. И., Рапопорт С. И. Хронобиология и хрономедицина. — М.: Триада-Х, 2000. — 488 с. — ISBN 5-8249-0025-6.
  • Комаров Ф. И. Роль проблемной комиссии «Хронобиология и хрономедицина» РАМН в развитии внутренней медицины (к 25-летию создания) / Ф. И. Комаров, С. И. Рапопорт, С. М. Чибисов // Клиническая медицина. — 2007. — Т. 85. — № 9. — С. 14—16. — ISSN 0023-2149.

Ссылки
This article is issued from Wikipedia. The text is licensed under Creative Commons - Attribution - Sharealike. Additional terms may apply for the media files.