Циркадный ритм — это естественный внутренний процесс, регулирующий цикл сна и бодрствования и повторяющийся примерно каждые 24 часа. Он включает в себя физические, психические и поведенческие изменения, которые следуют 24-часовому циклу, реагируя в первую очередь на свет и темноту в окружающей среде. Циркадные ритмы влияют на большинство живых существ, включая животных, растения и микробы. Иногда их называют «суточным ритмом», «внутренними часами», «биологическими часами». Они помогают адаптироваться к ежедневным изменениям окружающей среды и эффективно функционировать в изменяющемся мире. Циркадные ритмы изучает хронобиология.
- Открытие и изучение циркадных ритмов
Концепция циркадных ритмов восходит к древним цивилизациям, где были зафиксированы наблюдения за суточными паттернами в поведении растений и животных. Однако первое документально подтвержденное наблюдение циркадных ритмов сделал французский физик, астроном и хронобиолог Жан-Жак д’Орту де Меран в 1729 году. Он поместил растение мимоза в светонепроницаемую темную комнату и заметил, что оно продолжает раскрывать свои листья утром и закрывать их вечером.
В 20 веке возникла область хронобиологии, в которой такие ученые, как Колин Питтендриг (считается «отцом биологических часов») и Юрген Ашофф, провели основополагающие исследования воздействия света на циркадные ритмы.
Одним из самых известных экспериментов по изучению циркадных ритмов человека является эксперимент в бункере, проведенный Юргеном Ашоффом. В этом опыте участники жили в бункере в течение нескольких недель, пока ученые измеряли их суточные ритмы по различным параметрам, таким как выделение мочи, ректальная температура и уровень активности. Бункер был лишен внешних временных сигналов (естественное освещение и социальные взаимодействие), что позволило наблюдать за эндогенными циркадными ритмами участников. Эндогенный — это процесс в организме, обусловленный внутренними факторами, а не вызванный внешними воздействиями. Главный вывод эксперимента в бункере заключался в том, что у людей есть внутренние часы с периодом чуть больше 24 часов. Этот вывод продемонстрировал, что циркадные ритмы человека могут работать независимо от 24-часового цикла свет-темнота, и что разные люди могут иметь уникальные ритмы. Эксперимент также установил многие особенности этих часов и проложил путь для дальнейших исследований биологической основы циркадных ритмов.
Существуют данные, свидетельствующие о том, что циркадные ритмы у мужчин и женщин различаются. Циркадные ритмы женщин, как правило, устанавливаются на более раннее время, чем у мужчин, даже если они соблюдают почти одинаковое и последовательное время отхода ко сну и время пробуждения. Женщины, как правило, просыпаются раньше мужчин и отдают большее предпочтение утренним занятиям. Исследование показало, что внутренний период циркадной системы человека короче у женщин, чем у мужчин, со средней разницей около шести минут. Это различие может способствовать более высокой распространенности бессонницы у женщин по сравнению с мужчинами.
- Генетическая детерминация циркадных ритмов
В 1971 году Рональд Конопка и Сеймур Бензер идентифицировали первый ген циркадного ритма, period (per), у плодовой мушки Drosophila melanogaster (плодовая муха), проложив путь к молекулярному пониманию циркадных ритмов.
Дальнейшие исследования показали, что циркадные ритмы обусловлены генетически. Причем индивидуальные различия в этих ритмах возникают из-за генетических вариаций в ключевых генах биологических часов. Эти вариации могут влиять на хронотип человека, или предпочтительный график сна и бодрствования, а также на его восприимчивость к нарушениям циркадных ритмов. Например, насколько быстро и безболезненно человек адаптируется к изменениям при перемещении в другой часовой пояс.
Циркадные ритмы контролируются биологическими часами, которые являются естественными хронометрами организмов, регулирующими цикл циркадных ритмов и состоящими из определенных молекул (белков), которые взаимодействуют с клетками всего организма. Центральным стимулятором циркадных ритмов у человека является супрахиазматическое ядро (СХЯ, SCN), небольшая область в гипоталамусе мозга. SCN получает световой сигнал от сетчатки глаза, который синхронизирует внутренние часы с внешним свето-темновым циклом.
Мутации в генах биологических часов могут изменить циркадные ритмы и привести к расстройствам сна, нарушению обмена веществ и другим проблемам со здоровьем.
Нобелевская премия по физиологии и медицине 2017 года была присуждена Джеффри К. Холлу, Майклу Росбашу и Майклу В. Янгу за открытие молекулярных механизмов, контролирующих циркадный ритм. Их работа прояснила генетические и биохимические основы циркадных ритмов, заложив основу для дальнейших исследований в этой области.
- Молекулярные механизмы циркадных ритмов
Циркадные ритмы регулируются молекулярными механизмами, которые включают транскрипционную и посттранскрипционную регуляцию биологических часовых генов. Эти гены образуют сложную петлю обратной связи, которая создает 24-часовое колебание в экспрессии генов. К основным циркадным генам относятся CLOCK, BMAL1, PER и CRY. У человека основная петля включает белки CLOCK и BMAL1, которые образуют гетеродимер и связываются с элементами E-box в промоторных областях генов-мишеней, включая гены периода (PER) и криптохрома (CRY). Затем белки PER и CRY накапливаются, образуют комплекс и ингибируют активность CLOCK-BMAL1, тем самым репрессируя собственную транскрипцию.
Последние исследования были направлены на выявление структурных компонентов и молекулярно-генетических механизмов, составляющих биологические часы. Развитие таких технологий, как оптогенетика, редактирование генов и транскриптомика одной клетки, позволило исследователям регулировать и контролировать циркадные ритмы с беспрецедентной точностью. Эти инструменты способствовали выявлению новых компонентов часов и изучению сложных взаимодействий между циркадными ритмами и другими физиологическими процессами.
- Цикл сон-бодрствование и циркадный ритм
Цикл сон-бодрствование, фундаментальный аспект физиологии человека, неразрывно связан с основным циркадным ритмом. Эта эндогенная система хронометража организует множество физиологических процессов, включая регуляцию сна. В этом комплексном анализе рассматривается сложное взаимодействие между циклом сон-бодрствование и циркадным ритмом.
Супрахиазматическое ядро (СХЯ, SCN), небольшая двусторонняя область в переднем гипоталамусе, служит главным циркадным пейсмекером у млекопитающих. Состоящее примерно из 100 000 нейронов, SCN генерирует и поддерживает почти 24-часовые колебания экспрессии генов и активности нейронов. Эти осцилляции синхронизируются с внешним свето-темновым циклом посредством фотосигналов, поступающих от сетчатки глаза, которые передаются через ретиногипоталамический тракт. SCN, в свою очередь, регулирует время периферических часов, присутствующих в различных тканях организма, обеспечивая гармоничное функционирование физиологических процессов. Ключевым результатом работы SCN является регуляция цикла сон-бодрствование, что достигается за счет модуляции популяций нейронов, способствующих возбуждению и сну.
Циркадная регуляция цикла сон-бодрствование в основном опосредована контролем SCN над высвобождением мелатонина, гормона, синтезируемого и секретируемого шишковидной железой. Выработка мелатонина стимулируется темнотой и подавляется светом, причем его уровень достигает максимума ночью и минимума днем.
Взаимодействие между циркадным ритмом и циклом сон-бодрствование дополнительно модулируется гомеостатическим давлением сна, которое регулируется накоплением способствующих сну веществ, таких как аденозин, во время бодрствования. Накопление этих веществ усиливает стремление ко сну, противодействуя бодрствующим эффектам циркадных ритмов в течение дня и способствуя засыпанию и поддержанию сна ночью. (В течение дня циркадный ритм генерирует сигналы бодрствования, которые противодействуют возрастающему давлению сна. Это действие помогает поддерживать бодрствование и когнитивные функции в течение всего дня, обеспечивая человеку бодрость и активность в светлое время суток. С течением дня и смещением циркадного ритма к вечеру сигналы бодрствования уменьшаются, позволяя давлению сна взять верх и способствовать наступлению ночного сна). Взаимодействие между циркадными и гомеостатическими процессами описывается двухпроцессной моделью регуляции сна, которая предполагает, что время и структура сна определяются совместным влиянием этих процессов.
Часть 5. Циркадные ритмы и здоровье
Циркадные ритмы играют важную роль в различных аспектах физического и психического здоровья. Когда циркадный ритм выстроен правильно, он способствует стабильному и восстанавливающему сну. Но когда циркадный ритм сбивается, это может привести к значительным проблемам со сном, включая бессонницу. Исследования также показывают, что циркадные ритмы влияют на различные аспекты физического здоровья, включая метаболизм, эндокринную функцию и нервную систему. Некоторые из ключевых областей, на которые влияют циркадные ритмы, включают:
a. Температура тела и метаболизм. Циркадная система модулирует выработку метаболического тепла для создания ритма температуры тела, который бросает вызов гомеотермии, но не отменяет ее. Циркадные ритмы также влияют на экспрессию различных гормонов, ферментов и транспортных систем, участвующих в энергетическом обмене.
b. Гормональные ритмы. Циркадный ритм поддерживает гормональные ритмы, такие как выработка мелатонина, инсулина, глюкагона, кортизола и эстрогена. Дисбаланс в колебаниях уровня гормонов может иметь серьезные последствия для молекулярных процессов.
c. Иммунная система. Циркадные ритмы и сон все чаще рассматриваются как важные для гомеостаза иммунной системы. Врожденные и адаптивные иммунные реакции опосредуются в зависимости от времени суток, и нарушение любого из этих процессов может привести к воспалению и функциональному иммунодефициту, делая организм более уязвимым к заболеваниям.
d. Настроение. Нарушение циркадного ритма может негативно повлиять на способность человека спать и нормально функционировать, что приводит к различным проблемам со здоровьем, включая такие расстройства настроения, как депрессия, тревожность, биполярное расстройство и сезонное аффективное расстройство.
e. Метаболическое здоровье. Циркадный ритм влияет на метаболизм глюкозы, и последние исследования показали, что такие внешние факторы, как позднее время приема пищи, ночное воздействие света и нерегулярный режим сна, могут влиять на клеточный уровень, потенциально приводя к повышению уровня глюкозы и снижению чувствительности к инсулину.
Нарушение циркадных ритмов в результате неправильного образа жизни были связаны с различными заболеваниями, включая ожирение, диабет, сердечно-сосудистые заболевания и рак.
Растущее понимание механизма циркадных ритмов открыло новые возможности для их регулирования и потенциального применения. К ним относятся оптимизация приема лекарств на основе циркадных ритмов, разработка хронотерапии для лечения аффективных расстройств, а также разработка систем освещения, способствующих здоровым циркадным ритмам в искусственных условиях, таких как космические путешествия или подземные среды обитания.
В целом, циркадные ритмы оказывают значительное влияние на различные аспекты физиологии человека. Поддержание регулярного цикла сна и бодрствования и минимизация нарушений циркадных ритмов может способствовать общему здоровью и благополучию.
Материал подготовила:
С. Корнецкая
См. также:
— «Клеточная мембрана – многофункциональный барьер клетки»
https://osnauka.ru/kletochnaya-membrana-mnogofunktsionalnyj-barer-kletki
— «Многоликая нейроглия: типы и функции глиальных клеток»
https://osnauka.ru/mnogolikaya-nejrogliya-tipy-i-funktsii-glialnyh-kletok
— «Нейропластичность мозга: научный и исторический обзор»
https://osnauka.ru/nejroplastichnost-mozga-nauchnyj-i-istoricheskij-obzor
— «Крупномасштабные сети мозга и оркестр сознания»
https://osnauka.ru/krupnomasshtabnye-seti-mozga-i-orkestr-soznaniya
— «Нейрохимические вещества: типы, функции и различия»
ч.1 https://osnauka.ru/nejrohimicheskie-veshhestva-tipy-funktsii-i-razlichiya-chast-1
ч.2 https://osnauka.ru/nejrohimicheskie-veshhestva-tipy-funktsii-i-razlichiya-chast-2
— «Нейротрансмиттеры (принципы работы, жизненный цикл, баланс)»
https://osnauka.ru/nejrotransmittery-printsipy-raboty-zhiznennyj-tsikl-balans
— «Нейроны: крошечные супергерои (строение, принципы работы, типы)»
https://osnauka.ru/nejrony-kroshechnye-supergeroi-stroenie-printsipy-raboty-tipy
— «Строение и функции клеток»
https://osnauka.ru/stroenie-i-funktsii-kletok
