Майкл янг биологические часы. Причины сбоя циркадного ритма. Влияние дневного света на циркадные ритмы

Периоды сна и бодрствования у человека сменяются с циркадной периодичностью. При исследовании связи периодичности сна и бодрствования с внешними стимулами изучалось изменение продолжительности периода данных колебаний у человека. В отсутствие таких стимулов как свет, который позволяет человеку судить о времени суток, подопытные всё равно ложились спать и пробуждались в обычное время; таким образом, период ритма сон - бодрствование не изменялся и в течение некоторого времени оставался равным 24 часам, правда через некоторое время он увеличился до 36 часов. Когда подопытные возвратились в нормальные условия, то 24 часовой цикл был восстановлен. Таким образом, у человека и у многих других животных есть внутренние часы, которые идут даже в отсутствии внешних сигналов. Одним из наиболее распространенных внешних сигналов является свет. У человека рецепторы, находящиеся в сетчатке, реагируют на свет и посылают сигнал в супрахиазмальное ядро . Дальнейшее распространение сигнала приводит к выработкегормонов регулирующих циркадную активность организма. Однако при этом такие органы как сердце , печень , почки имеют свои «внутренние часы» и могут выбиваться из ритма, устанавливаемого супрахиазматическим ядром. Сигнал, поступающий в шишковидную железу , вызывает синтез и выделение в кровоток вызывающего сон нейрогормона мелатонина (N-ацетил-5-метокситриптамин). У пожилых людей выделяется меньше мелатонина что, вероятно, объясняет, почему старые люди чаще страдают бессонницей. Большая часть исследователей полагает, что супрахиазматическое ядро отвечает за циркадные ритмы и за колебания параметров, связанных с циклом сон - бодрствование, таких как температура тела, давление и продукция мочи.

Циркадианные ритмы: медицинское значение ритмов

Диагностика и лечение часто бывают более успешными, если врач понимает и учитывает роль циркадианных ритмов в патогенезе заболеваний.

Так, в ранние утренние часы ускорена агрегация тромбоцитов - в это же время наиболее высока вероятность инфаркта миокарда ,внезапной сердечной смерти , инсульта - ведущих причин смертности в США.

Учет циркадианных ритмов помогает понять механизмы обострений хронических заболеваний , таких, как ИБС .

От времени суток зависят результаты диагностических исследований - например, показатели АД , температуры , пробы с дексаметазоном , уровень кортизола в плазме. Немногие врачи представляют себе, насколько даже самые простые измерения зависят от того, в какое время они сделаны и в каком состоянии находился больной - спал или бодрствовал.

В течение суток меняется эффективность и токсичность лекарственных средств . Например, смертность крыс, которым в разное время суток вводили одно и то же токсическое вещество, различалась более чем в пять раз. От времени введения препаратов зависитэффективность химиотерапии и особенно эффективность действия анестетиков .

И наконец, время суток определяет риск несчастных случаев , причина которых - в непреодолимой сонливости. Дорожно-транспортные происшествия, ошибки и аварии на производстве чаще всего происходят во второй половине ночи, когда потребность во сне максимальна. Врач должен помнить, какую опасность для здоровья и жизни человека несут в себе требования живущего по часам общества.

Десинхронозы - различные расстройства биоритмов организма, заключающиеся в нарушении направленности и степени сдвига того или иного основного показателя колебательного процесса. - Как правило, десинхронозы проявляются изменением (увеличением или уменьшением) длительности периода, частоты, амплитуды, акрофазы, батифазы того или иного биоритма. - Десинхронозы характеризуются рассогласованием ранее синхронизированных внутри- или межсистемных ритмов.

При рассогласовании ритмов организма с ритмами внешней среды формируется внешняя десинхронизация. - При рассогласовании ритмических процессов внутри организма (на уровне органов, формирующих ту или иную функциональную систему) развивается внутренняя десинхронизация.

Механизмы возникновения десинхронозов - Рассогласование между жизненными (поведенческими) и временными стереотипами организма и существенно изменёнными условиями жизни, работы и отдыха. - Неспособность организма адаптироваться к существенным изменениям электромагнитных влияний Земли и Космоса, другим стрессовым факторам.

Профилактика десинхронозов

Соблюдение режимов сна-бодрствования, активности-отдыха, питания. Рациональная организация режима работы. Поддержание пси хоэмоционального состояния на оптимальном уровне. И в выходные, и в рабочие дни необходимо поддерживать постоянное время засыпания и пробуждения.

Физическая активность, закаливание, пребывание на свежем воз духе, рациональное и полноценное питание, т. е. профилактика забо леваний, так как любое заболевание обязательно сопровождается де-синхронозом.

При необходимости перемещений через несколько часовых по ясов - принятие заблаговременных мер, облегчающих адаптацию к новому суточному режиму. После прибытия в место назначения следу ет соответствующим образом организовать свой режим дня, чтобы ускорить восстановление «внутренней временной организации». При коротких поездках - 1-2 дня - целесообразно принять меры, предотв ращающие перестройку биоритмов, так как времени для полной адап тации все равно не хватит, а возвращение в свой часовой пояс только усилит десинхроноз.

Практически все жизненно важные процессы в природе проходят по циклу. Самым простым является смена времен года. Каждый год все живое переживает четыре сезона: весну, лето, осень и зиму. Другим примером может послужить цикл полного вращения нашей планеты вокруг солнца. Одно такое вращение длится год. Или же полный оборот Земли вокруг своей оси, образующий сутки.

В нашем организме также происходят определенные циклы. Почему организм человека имеет потребность во сне? Или что способствует его пробуждению? Что такое циркадный ритм? Организм человека подвластен 24-часовому циклу. Самое важное в этом цикле - это смена сна и бодрствования. Этот процесс автоматически регулируется головным мозгом.

Понятие циркадного ритма

Циркадные ритмы — это изменение интенсивности биологических процессов, протекающих в организме человека на протяжении суток. Другими словами, это такие биологические часы внутри организма. Сбивать их ритм нельзя, так как это чревато различными заболеваниями психики и жизненно важных органов.

Циркадные ритмы в норме создают циркадный баланс. То состояние, когда у человека прекрасное самочувствие, называется циркадным балансом.

При циркадном балансе человек чувствует себя физически здоровым, у него прекрасный аппетит, отличное настроение, его организм отдохнувший и полон энергии. Человек находится в своем ритме. Но когда циркадный баланс отсутствует, циркадный ритм нарушен, то это оставляет свой отпечаток на здоровье организма.

Проявление циркадных ритмов

Каждый наверняка замечал за собой, что чувствует себя более работоспособным, энергичным и полным жизненных сил и энергии в одни часы суток и более обессиленным, вялым и сонным - в другие. Это связано именно с За работу биологических часов в человеческом организме несут ответственность около 20 тысяч нейронов в гипоталамусе. До сих пор точно неизвестно, как работают эти «часы». Однако ученые уверены, что для нормального функционирования организма их работа должна быть четкой и слаженной, циркадный всегда должен быть в норме.

В среднем умственная активность человека имеет два пика: 9:00 утра и 21:00 вечера. Физическая сила своего пика достигает в 11:00 утра и 19:00 вечера.

Цикл «сон - бодрствование»

Постоянная смена дня и ночи - это цикл, от которого напрямую зависит состояние человеческого организма, его циркадный ритм. Цикл смены ночи и дня, ответственный за процесс смены сна и бодрствования. Именно от цикла «сон - бодрствование» зависит протекание многих процессов в организме, его нормальное функционирование и трудоспособность.

Недостаточное количество сна может стать причиной снижения падения трудоспособности. В случае отсутствия полноценного здорового сна ухудшаются интеллектуальные функции, нарушаются процессы в организме. Это далеко не все, чем чревато для организма нарушение циркадного ритма сна. Также это чревато ранним старением мозга, психическими нарушениями и даже шизофренией.

Влияние дневного света на циркадные ритмы

Когда солнце уходит за горизонт, падает уровень освещенности. Зрительная система человека посылает сигналы к головному мозгу. Стимулируется выработка такого гормона, как мелатонин. Он способствует снижению активности человека. Мелатонин расслабляет человека, заставляет почувствовать себя сонным.

И наоборот, когда солнце появляется на горизонте, в поступает сигнал о повышении освещенности. Выработка мелатонина идет на снижение. Как последствие - активность человеческого организма повышается.

В регулировке цикла «сон - бодрствование» принимают участие и другие стимулы. Например, принятие душа или ванны, привычный звонок будильника, уход в спальню, принятие горизонтального положения и любые другие привычки.

Рассветы и закаты

Ученые считают, что именно ранний подъем с рассветом и отход ко сну после ухода солнца за горизонт позволит сделать работу биологических часов четкой и слаженной.

Именно по этой причине поздний рассвет и ранний закат зимой нередко приводит к тому, что люди чувствуют себя сонными, вялыми и заторможенными. Это нормальная реакция организма на дневной свет. Биологические часы человека не могут настроиться на нормальную работу. Суточные циркадные ритмы дают сбой, и возникают различные проблемы со здоровьем.

Такое же снижение настроения, падение активности и ощущение бессилия испытывают люди, которые живут в условиях полярной ночи или когда очень длительное время держится пасмурная, дождливая погода.

Хронотипы человека

Циркадные ритмы человека до сих пор исследуются. Ученые предположили, что существует три основных хронотипа организма человека.

К первому хронотипу относят «жаворонков» - людей утреннего типа. Они просыпаются рано, с восходом солнца. Наутро и первую половину дня выпадает пик их бодрости, трудоспособности и жизнерадостности. Вечером «жаворонки» сонливы, они рано ложатся спать.

Ко второму хронотипу относят людей вечернего типа. Называют их «совы». Ведут себя «совы» противоположно «жаворонкам». Спать они ложатся очень поздно и терпеть не могут утренние пробуждения. Утром «совы» сонливы, вялые, работоспособность крайне низкая.

Утренняя заторможенность «сов» может сопровождаться головной болью. Работоспособность у них повышается только во второй половине дня, чаще даже после шести вечера. Бывают случаи, когда пик работоспособности «совы» выпадает на ночь.

Третий хронотип - это люди с колебаниями интенсивности физиологических возможностей на протяжении суток. Их называют «голуби» или, другими словами - аритмики. Такие люди впадают из одной крайности в другую. Могут одинаково эффективно работать как днем, так и вечером.

«Жаворонками», «совами» или «голубями» люди рождаются, или они такими становятся? Ответа на этот вопрос еще не нашли. Однако было проведено много исследований, доказывающих существование взаимосвязи между хронотипом и родом деятельности человека. Например: служащие в большинстве случаев являются «жаворонками». Люди, работающие умственно — «совы». А люди физического труда — «голуби». То есть получается, что человек в силе сам настроить свои биологические часы, приспособиться к своему Главное - не навредить самому себе.

Причины сбоя циркадного ритма

Нарушение циркадных ритмов может происходить по разным причинам. Самые основные и распространенные причины сбоя в работе биологических часов:

Работа посменно.
Беременность.
Длительная поездка, перелет.
Употребление медикаментов.
Различные изменения в привычном образе жизни.
Пересечение других часовых поясов.
Синдром совы. Люди с этим хронотипом предпочитают отходить ко сну очень поздно. По этой причине у них возникают трудности с пробуждением утром.
Синдром жаворонка. Данный хронотип характеризуется ранним пробуждением. У таких людей возникают трудности тогда, когда есть потребность поработать вечером.
При переходе на летнее или зимнее время. У многих людей в этот период наблюдается снижение работоспособности, повышение раздражительности, бессилия, апатии. Причем перевод стрелок на зимнее время переносится легче, чем на летнее.
Любителям проводить ночь за компьютером также грозит сбой циркадного ритма.
Ночная работа — очень сильный стресс для организма. На первых порах это может не ощущаться, но с каждым днем усталость накапливается, ухудшается сон, падает трудоспособность, возникает апатия, которая может смениться депрессией.
Непредвиденные ситуации, когда день и ночь меняются местами.
Молодые мамы часто страдают от того, что ее циркадные ритмы не совпадают с ритмами ребенка. Часто у детей основной сон проходит днем, а ночью они спят маленькими отрезками времени. О таких детях говорят, что они перепутали день и ночь. Мама же в таком случае, естественно, выспаться не может. Вот тут и имеет место серьезное нарушение циркадного ритма матери.

Регуляция циркадных ритмов

Человек должен уметь подстроится под любой график, ведь жизнь может предоставить множество сюрпризов, которые могут отобразиться крайне негативно на работе биологических часов. Вот некоторые советы, которые могут помочь поддержать циркадные ритмы человека:

Если человеку предстоит перелет, то с востока на запад лучше выбрать утренний рейс, а с запада на восток - наоборот, вечерний. При этом перед полетом в западном направлении дней за пять нужно постараться отходить ко сну на пару часов позже. В восточном направлении, наоборот - на пару часов раньше.
Точно так же, ложась спать раньше или позже, можно подготовиться и к переводу стрелок часов на летнее или зимнее время.
Необходимо постараться ложиться спать не позже 23:00 - это при условии, что сон будет продолжаться 7-8 часов. В противном случае лечь стоит раньше.
В случае посменной работы или каких-то других обстоятельств человек должен получить свою порцию сна в другой половине суток или, в крайнем случае, на следующие сутки.
Не стоит откладывать сон на выходные. За 4-5 дней организм может так сильно устать, что отсыпания на выходных будет недостаточно. Или же может случиться другое - может сложиться обманчивое мнение, что усталости нет, и организм будет мучить бессонница. Нельзя доводить организм до крайностей, испытывать его на прочность. Последствия могут быть очень серьезными.

Лечение сбоя циркадного ритма

Нарушения циркадного ритма лечатся после вынесенного диагноза. Целью лечения является возвращение организма человека к нормальному режиму работы, восстановление работы его биологических часов. Основным и самым распространенным методом лечения расстройства циркадного ритма является лечение ярким светом или хронотерапия. Терапия ярким светом используется с той целью, чтобы восстановить нормальное функционирование организма человека, наладить работу его внутренних биологических часов. Эта методика дает значительные результаты людям, у которых нарушены циркадные ритмы сна.

Нобелевский комитет сегодня определился с лауреатами премии по физиологии и медицине 2017 года. В этом году премия снова отправится в США: награду разделили Майкл Янг из Рокфеллеровского университета в Нью-Йорке, Майкл Росбаш из Университета Брэндейса и Джеффри Холл из Университета штата Мэн. Согласно решению Нобелевского комитета, эти исследователи награждены «за открытия молекулярных механизмов, контролирующих циркадные ритмы»..

Нужно сказать, что за всю 117-летнюю историю Нобелевской премии это, пожалуй, первая премия за изучение цикла «сон-бодрствование», как и вообще за что-либо связанное с сном. Не получил премию знаменитый сомнолог Натаниэль Клейтман, а совершивший самое выдающееся открытие в этой области Юджин Азеринский, открывший REM-сон (REM - rapid eye movement, фаза быстрого сна), вообще получил за свое достижение лишь степень PhD. Неудивительно, что в многочисленных прогнозах (о них мы в своей заметке) звучали какие угодно фамилии и какие угодно темы исследований, но не те, которые привлекли внимание Нобелевского комитета.

За что дали премию?

Итак, что же такое циркадные ритмы и что конкретно открыли лауреаты, которые, по словам секретаря Нобелевского комитета, встретили известие о награде словами «Are you kidding me?».

Джеффри Холл, Майкл Росбаш, Майкл Янг

Circa diem с латинского переводится как «вокруг дня». Так уж сложилось, что мы живем на планете Земля, на которой день сменяется ночью. И в ходе приспособления к разным условиям дня и ночи у организмов и появились внутренние биологические часы - ритмы биохимической и физиологической активности организма. Показать, что у этих ритмов исключительно внутренняя природа, удалось только в 1980-х, отправив на орбиту грибы Neurospora crassa . Тогда стало ясно, что циркадные ритмы не зависят от внешних световых или других геофизических сигналов.

Генетический механизм циркадных ритмов обнаружили в 1960–1970-х годах Сеймур Бензер и Рональд Конопка, которые изучали мутантные линии дрозофил с отличающимися циркадными ритмами: у мушек дикого типа колебания циркадного ритма имели период 24 часа, у одних мутантов - 19 часов, у других - 29 часов, а у третьих ритм вообще отсутствовал. Оказалось, что ритмы регулируются геном PER - period . Следующий шаг, который помог понять, как появляются и поддерживаются такие колебания циркадного ритма, сделали нынешние лауреаты.

Саморегулирующийся часовой механизм

Джеффри Холл и Майкл Росбаш предположили, что кодируемый геном period белок PER блокирует работу собственного гена, и такая петля обратной связи позволяет белку предотвращать собственный синтез и циклически, непрерывно регулировать свой уровень в клетках.

Картинка показывает последовательность событий за 24 часа колебаний. Когда ген активен, производится м-РНК PER. Она выходит из ядра в цитоплазму, становясь матрицей для производства белка PER. Белок PER накапливается в ядре клетки, когда активность гена period заблокирована. Это и замыкает петлю обратной связи.

Модель была очень привлекательной, но для полной картины не хватало нескольких деталей паззла. Чтобы заблокировать активность гена, белку нужно пробраться в ядро клетки, где хранится генетический материал. Джеффри Холл и Майкл Росбаш показали, что белок PER накапливается в ядре за ночь, но не понимали, как ему удается попадать туда. В 1994 году Майкл Янг открыл второй ген циркадного ритма, timeless (англ. «безвременный»). Он кодирует белок TIM, который нужен для нормальной работы наших внутренних часов. В своем изящном эксперименте Янг продемонстрировал, что, только связавшись друг с другом, TIM и PER в паре могут проникнуть в ядро клетки, где они и блокируют ген period .

Упрощенная иллюстрация молекулярных компонентов циркадных ритмов

Такой механизм обратной связи объяснил причину появления колебаний, но было непонятно, что же контролирует их частоту. Майкл Янг нашел другой ген, doubletime . В нем «записан» белок DBT, который может задержать накапливание белка PER. Так и происходит «отладка» колебаний, чтобы они совпадали с суточным циклом. Эти открытия совершили переворот в нашем понимании ключевых механизмов биологических часов человека. В течение последующих лет были найдены и другие белки, которые влияют на этот механизм и поддерживают его стабильную работу.

Например, лауреаты этого года обнаружили дополнительные белки, которые заставляют ген period работать, и белки, с помощью которых свет синхронизирует биологические часы (или при резкой смене часовых поясов вызывает джетлаг).

О премии

Напомним, что Нобелевская премия по физиологии и медицине (стоит заметить, что в оригинальном названии на месте «и» звучит предлог «или») - одна из пяти премий, определенных завещанием Альфреда Нобеля 1895 года и, если следовать букве документа, должна ежегодно вручаться «за открытие или изобретение в области физиологии и медицины», сделанное в предыдущий год и принесшее максимальную пользу человечеству. Впрочем, «принцип прошлого года» не соблюдался, кажется, почти никогда.

Сейчас премия по физиологии и медицине традиционно присуждается в самом начале нобелевской недели, в первый понедельник октября. Впервые ее вручили в 1901 году за создание сывороточной терапии дифтерии. Всего за всю историю премия была вручена 108 раз, в девяти случаях: в 1915, 1916, 1917, 1918, 1921, 1925, 1940, 1941 и 1942 годах - премия не присуждалась.

За 1901–2017 годы премия присуждена 214 ученым, дюжина из которых - женщины. Пока что не было случая, чтобы кто-то получил премию по медицине дважды, хотя случаи, когда номинировали уже действующего лауреата, были (например, наш ). Если не учитывать премию 2017 года, то средний возраст лауреата составил 58 лет. Самым молодым нобелиатом в области физиологии и медицины стал лауреат 1923 года Фредерик Бантинг (премия за открытие инсулина, возраст - 32 года), самым пожилым - лауреат 1966 года Пейтон Роус (премия за открытие онкогенных вирусов, возраст - 87 лет).

Более правильный термин – циркадианные ритмы, а не циркадные, потому что корень этого слова – «диан», что в переводе означает «день». Более простой синонимичный термин – околосуточные ритмы.

В любом живом организме, на каком бы уровне он ни находился, от простейших бактерий до человека, все процессы имеют определенную ритмику. Некоторые процессы имеют околосуточные ритмы, около 24 часов, некоторые больше или меньше. Неживая природа также имеет все процессы, определенные колебания – вращение Солнца, Земли и так далее. У всего есть колебательные процессы. Для человеческого организма важны циркадианные процессы, потому что наш ритм определяется вращением Земли, то есть сутками, которые определяются солнечной освещенностью. Потребность возникновения циркадианных ритмов была связана с адаптацией живой природы к окружающей среде из-за постепенного увеличения кислорода и ультрафиолетовых лучей. Поэтому посуточный ритм – это адаптация к солнечной освещенности, а не к другим факторам. Свет определяет наш ритм. Есть такое понятие – эндогенный, то есть внутренний ритм человека. Как ни странно, этот ритм по продолжительности составляет примерно 24,3 часа, то есть он чуть больше, чем сутки. Но наши биологические часы постоянно подстраиваются под внешние факторы, и таким внешним фактором является Солнце. Кстати, наш внутренний ритм практически в точности соответствует суткам на Марсе, поэтому предположение о том, что жизнь на Земле началась с Марса в этом смысле имеет определенную подпитку.

По циркадианным ритмам вырабатываются гормоны, от них зависит уровень давления, дыхание и многие другие функции организма. Это открытие было сделано уже давно, но Нобелевскую премию за него присудили только сейчас. Это результат многолетних исследований не только этой группы ученых, эти механизмы изучаются по всему миру. Эти механизмы важны, потому что они дают на генетическом и молекулярном уровне понять, как все это происходит. Есть группа генов, которая отвечает за эти ритмы, а одним из главных регуляторов является гормон мелатонин, который раньше неправильно называли гормоном сна, хотя на самом деле это гормон ночи. Это сигнал организму о том, что нет солнечного света. Причем сигнал поступает не только до рецепторов клеток, он поступает до генома, то есть по сути до ДНК. Мелатонин проходит мембрану клетки и ядра и воздействует на геном человека. Поэтому во время сна определенные гены включаются, а другие выключаются. Это очень важно для функционирования организма, но, к сожалению, в современном мире человек все больше и больше подвергает себя этим изменениям. Например, смена графика сна, если человек поздно встает и поздно ложится по выходным, а по будням недосыпает, а также далекие перелеты, после которых циркадианные ритмы резко меняются и происходит рассогласование солнечной освещенности. Все эти факторы только еще больше усугубляют проблемы, связанные не только со сном, но и с долголетием человека.

Это открытие на молекулярном и генетическом уровне показывает, как протекают эти процессы. Оно позволит в будущем вмешиваться в эти механизмы. Если у кого-то имеется генетическая мутация – мы сможем восстанавливать нарушенные процессы и использовать новые лекарственные средства для адаптации к тем условиям, с которыми сталкивается современный человек.

военный врач, научный журналист, медицинский блогер, специалист по выявлению и выведению на чистую воду медицинских шарлатанов, автор книги "Пациент разумный", член экспертного совета Премии имени Гарри Гудини, член Ассоциации медицинских журналистов.

С областью, за открытия в которой присудили Нобелевскую премию 2017 года в области физиологии или медицины, сталкивались в своей жизни очень многие, поэтому интуитивно тема близка и понятна каждому, кто работал в ночную смену, стоял в карауле, дежурил сутки на «Скорой» или летал из Москвы на Дальний Восток или на американский континент. Когда день меняется с ночью местами, важность «внутренних часов» становится очевидной.

Не исключено, что именно из-за практической направленности тема привлекает и большое число самых различных шарлатанов. Рекламу «корректоров биоритма» можно найти практически в любом источнике, кроме того, в глянцевом журнале вам расскажут, что сексом лучше заниматься в 6 утра, потому что в это время суток в крови - максимум половых гормонов, а визит к врачу назначить на 16 часов, когда в мозгу больше всего эндогенных наркотических анальгетиков-эндорфинов.

Есть и более продвинутые чудеса. Например, человек в белом халате, назвавшийся хронофармакологом, может предложить вам оптимизировать дозы и кратность приема лекарств, назначенных нормальным врачом. Якобы за счет выстраивания точного соответствия приема таблеток с вашими внутренними ритмами можно и дозу снизить, и курс сократить, и основных эффектов получить побольше, и от побочных - избавиться. Так вот, к фармакологии это имеет примерно такое же отношение, как астрология к астрономии. Составители «таблеткиных гороскопов», подозреваю, теперь начнут акцентировать внимание доверчивых клиентов и на Нобелевке, подчеркивая свою сопричастность к большой науке.

Но пока что мы можем сделать лишь очень скромные практические выводы из наших знаний. Да, перспективы впечатляющие, да, результаты опытов на дрозофилах и мышах поражают воображение, но до широкого воздействия на механизм «внутренних часов» человека в реальной клинической практике пока что еще далековато.