Циркадные ритмы — это внутренние биологические ритмы организма с периодом около 24 часов. Они заранее подготавливают организм, настраивая все физиологические процессы в соответствии с ежедневными изменениями в окружающем мире.
Циркадные ритмы есть практически у всех живых организмов на планете, включая бактерии. У человека главный циркадный ритм — это цикл сна и бодрствования.
Клетки-часы
На молекулярном уровне в организме работают циркадные часы, запускающие процессы внутренних колебаний, которые регулируют физиологические процессы в соответствии с внешним 24-часовым циклом.
Есть несколько видов часовых генов, которые отвечают за производство белков. Их взаимодействие создаёт петлю обратной связи, которая вызывает 24-часовые колебания часовых белков. Затем эти белки подают клеткам сигнал о том, какое сейчас время суток и что необходимо сделать. Это и заставляет идти биологические часы.
Таким образом, циркадные ритмы — это не результат совместной работы множества разных клеток, как предполагалось изначально, а свойство каждой отдельной клетки.
Чтобы от циркадных часов была польза, они должны быть синхронизированы с сигналами окружающего мира. Самый очевидный пример расхождения между биологическими часами и внешним миром — джетлаг.
Когда мы попадаем в другой часовой пояс, нам приходится приспосабливать свои биологические часы к местному времени. Фоторецепторы (светочувствительные нейроны сетчатки глаза) улавливают изменения в цикле чередования света и темноты и посылают сигналы циркадным часам подогнать биологические часы организма в соответствии с внешними стимулами. Подгонка суточного ритма обеспечивает правильную работу всех клеточных процессов.
В сложных многоклеточных организмах часто есть главные часы, которые координируют работу всех клеток-часов. У млекопитающих главные часы — это супрахиазматическое ядро (СХЯ), расположенное в головном мозге. От клеток сетчатки глаза СХЯ получает информацию о свете, настраивает находящиеся в нём нейроны, а они уже посылают сигналы, согласовывающие работу всех остальных процессов в организме.
Основные свойства циркадных ритмов
1. Циркадные ритмы сохраняются при постоянных условиях света или темноты при отсутствии других внешних стимулов. Это было обнаружено в результате эксперимента, проведённого в 1729 году французским учёным Жан-Жаком де Мераном. Он поместил растение в тёмное 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.
2. 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 часы не смогли бы определять время.
3. 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 предугадывать предсказуемые изменения окружающей среды и заранее настраивать поведение, принимая во внимание эти условия. Например, зная, что рассвет наступит через три часа, организм начинает увеличивать скорость обмена веществ, 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.
Циркадные ритмы и сон
Цикл сна — наиболее очевидный суточный ритм человека и животных, но он зависит не только от циркадных ритмов.
Сон — крайне сложное состояние, возникающее благодаря взаимодействию различных областей головного мозга, гормонов и системы нейромедиаторов. Из-за своей сложности цикл сна очень легко расстроить.
Недавние исследования показали, что нарушение сна и циркадных ритмов характерно как для нейродегенеративных, так и для нейропсихиатрических расстройств, при которых неправильно работают нейромедиаторы. Например, такое нарушение характерно для более 80% пациентов с депрессией и шизофренией.
Но неудобства, возникающие из-за ощущения сонливости в течение дня, — мелочи. Нарушение сна и циркадных ритмов также связано с целым комплексом патологий, включая депрессию, бессонницу, ухудшение внимания и памяти, снижение мотивации, метаболические расстройства, ожирение, проблемы с иммунной системой.
Как настроить свои биологические часы
Учёные долго задавались вопросом, как глаз распознаёт свет для подстраивания циркадных ритмов. Недавно в сетчатке были обнаружены специальные чувствительные к свету клетки — фоточувствительные ганглионарные клетки сетчатки. Эти клетки отличаются от палочек и колбочек, о которых учёным было давно известно.
Зрительные раздражения, воспринятые фоточувствительными ганглионарными клетками, из глаза попадают в мозг по зрительному нерву. Но в 1–2% таких ганглионарных клеток есть зрительный пигмент, чувствительный к синему цвету. Таким образом, фоточувствительные ганглионарные клетки фиксируют рассвет и сумерки и помогают настроить биологические часы организма.
Из-за современного образа жизни мы часто не получаем достаточно света, большую часть времени проводя в помещении. Это может быть причиной того, что наши часы настраиваются неправильно.
Исследования подтвердили, что принимая пищу в одно и то же время и занимаясь спортом по утрам, можно выработать правильный режим сна.