Биологические часы: тонкие настройки организма

Знакомо ли вам чувство усталости после многочасового перелета в другой город или страну? Сталкивались ли вы с бессонницей после смены часовых поясов? А может, вы работаете в ночное время и уже давно перестали различать день и ночь в классическом их проявлении?

Все это является следствием сбоя в работе биологических часов – нашего внутреннего механизма, отвечающего за огромное количество настроек и функций. Именно они решают, как мы себя будем чувствовать с утра, как долго проворочаемся в постели, пытаясь уснуть, и в каком состоянии будет наша психика, эндокринная, иммунная и другие жизненно важные системы.

Как вы уже правильно догадались, речь в данной статье пойдет именно о биологических часах и их влиянии на нашу жизнь.

Биологические часы и циркадные ритмы

Почти каждая ткань и орган содержат внутренние часы, которые состоят из определенных молекул (белков), взаимодействующих с клетками по всему телу. Биологические часы представляют собой группы сообщающихся между собой молекул и оказывают непосредственное влияние на энергию, здоровье и общее состояние человека [EarthSky, 2014].

Биологические часы – это естественные механизмы синхронизации организмов, регулирующие цикл биологических и циркадных ритмов [National Institute of General Medical Sciences, 2020].

Биологические ритмы (или биоритмы) – это повторяющиеся с определенной периодичностью смены характера и интенсивности биологических процессов организма. Биоритмы присущи всем живым материям и являются фундаментальным процессом в живой природе.

Циркадные ритмы – это физические, психические и поведенческие изменения, которые следуют 24-часовому циклу. Эти естественные процессы реагируют, в первую очередь, на свет и тьму и влияют на большинство живых существ, включая животных, растения и даже микробов. Пожалуй, самый популярный и наглядный пример работы циркадных ритмов – цикл бодрствования днем и сна ночью [National Institute of General Medical Sciences, 2020].

Исследователи определили похожие гены у людей, плодовых мушек, мышей, растений, грибов и некоторых других организмов, которые составляют молекулярные компоненты часов. Именно это сходство и позволяет ученым делать важные выводы о биоритмах человека, изучая данные организмы. Исследованием биологических часов занимается наука хронобиология.

Основные или главные часы, контролирующие биологические ритмы, состоят из группы нервных клеток в головном мозге, которые называются супрахиазматическим ядром или SCN. Супрахиазматическое ядро содержит около 20 000 нейронов и расположено в гипоталамусе – области мозга, находящейся чуть выше пересечения зрительных нервов от глаз [National Institute of General Medical Sciences, 2020].

Когда каждое утро свет попадает на сетчатку глаза, специализированные нервы посылают сигналы в SCN, который, в свою очередь, контролирует цикл производства множества биологически активных веществ. SCN стимулирует соседнюю область мозга, называемую шишковидной железой [Scientific American, 2000].

Согласно инструкциям SCN, данная железа ритмично вырабатывает мелатонин, так называемый гормон сна, который, кстати, на сегодняшний день доступен в форме таблеток во многих магазинах здорового питания и аптеках. По мере того как день переходит в вечер, железа постепенно начинает вырабатывать больше гормона сна. Когда уровень гормона в крови повышается, наблюдается умеренное снижение температуры тела и повышенная склонность ко сну [Scientific American, 2000].

Яркий свет, поглощаемый сетчаткой в

течение дня, помогает синхронизировать ритмы активности часовых генов с преобладающим циклом окружающей среды. Воздействие яркого света ночью сбрасывает циркадные ритмы, резко изменяя количество продуктов некоторых часов и генов. Несмотря на то, что свет «перенастраивает» биологические часы человека каждый день, циркадные ритмы продолжают действовать даже у людей, лишенных света, что указывает на то, что активность SCN является врожденной [Scientific American, 2000].

Для человека одними из наиболее важных генов в этом процессе являются гены Period и Cryptochrome. Эти гены кодируют белки, которые накапливаются в ядре клетки ночью и уменьшаются в течение дня. Исследования на плодовых мушках показывают, что данные белки помогают активировать чувство бодрствования, бдительности и сонливости [National Institute of General Medical Sciences, 2020].

Почему важно обеспечить правильную работу биологических часов?

Биологические часы человека – жизненно важные механизмы, определяющие то, как долго и насколько качественно он проживет свою жизнь. Когда они отключены, страдают самые важные функции его организма. Нарушение биологического ритма увеличивает риск возникновения рака, ожирения, сердечных заболеваний, диабета, высокого кровяного давления, беспокойства, депрессии и появления вредных привычек.

Симптомы сбоя биологических часов могут включать в себя:

• проблемы с пищеварением;
• возникновение пищевой зависимости:
• снижение физической и умственной работоспособности;
• нарушение настроения (тревога, депрессия, раздражительность);
• усталость;
• сбой гормонального фона;
• беспричинное изменение температуры тела;
• проблемы со сном (трудности с засыпанием или пробуждением, слишком чуткий сон).

Здоровый биологический ритм приносит пользу всему телу. Именно поэтому имеет смысл сделать своим приоритетом соблюдение регулярного графика [OnHealth, 2018].

Самое большое влияние циркадные ритмы оказывают на сон человека. Связано это с тем, что SCN контролирует выработку гормона мелатонина, вызывающего сонливость. Зрительные нервы человека через каналы восприятия передают информацию в мозг о количестве поступающего света. При слабом освещении SCN приказывает мозгу производить больше мелатонина, чтобы подготовить организм ко сну [Frontiers in Behavioral Neuroscience, 2018].

Именно поэтому ученые, занимающиеся изучением вопросов биологических ритмов, рекомендуют уже за несколько часов до ночного отдыха отказаться от использования гаджетов и искусственного освещения. Спать при этом рекомендуется в полной темноте, занавесив окно шторами из плотного материала.

Биологические часы организма влияют на внимательность, концентрацию, чувство голода, обмен веществ, фертильность, настроение и другие физиологические состояния. По этой причине нарушение функции часов, как правило, провоцирует различные расстройства, включая бессонницу, диабет и депрессию [EarthSky, 2014].

Результат приема лекарственных препаратов также зависит от биологических часов. Исследования показали, что эффективность некоторых лекарств повышается, если их принимать в начале дня.

Исследования циркадных ритмов и биологических часов

В начале 1960-х годов профессор немецкого Института поведенческой физиологии Макса Планка в Зеевизене, Юрген Ашофф совместно со своими коллегами провел исследование. Ученые установили, что добровольцы, которые жили в изолированном бункере без естественного света, часов или других подсказок времени, тем не менее, поддерживали относительно нормальный цикл сна и бодрствования [Scientific American, 2000].

Другие ученые из Гарвардского университета, Чарльз Чейслер и Ричард Кронауэр определили, что биологический ритм человека на самом деле ближе к 24 часам, а точнее к 24,18 часам. Исследователи изучили поведение 24 мужчин и женщин (11 из которых были в возрасте 20 лет и 13 – в возрасте 60 лет), проживших более трех недель в среде без временных ориентиров, кроме слабого цикла света и темноты. С помощью искусственного воссоздания дня и ночи дневной цикл был продлен на 4 часа и теперь составлял 28 часов.

Ученые измерили внутреннюю температуру тела участников, а также концентрацию в крови мелатонина и кортизола (гормона стресса). В норме все три показателя снижаются вечером или ночью. Исследователи заметили, что даже несмотря на то, что дни испытуемых были ненормально увеличены на четыре часа, температура их тела, уровни мелатонина и кортизола продолжали функционировать в соответствии с их собственными внутренними 24-часовыми циркадными часами.

Ученые также отметили, что возраст не влияет на работу биологических часов: в отличие от результатов предыдущих исследований, которые предполагали, что старение нарушает циркадные ритмы, колебания температуры тела и гормонов у пожилых людей в Гарвардском исследовании были такими же регулярными, как и у младшей группы [Scientific American, 2000].

Какими бы информативными ни были исследования в бункерах, для изучения генов, лежащих в основе биологических часов, ученым все же пришлось обратиться к плодовым мушкам. Дело в том, что мухи идеально подходят для генетических исследований, потому что у них короткая продолжительность жизни и они достаточно маленькие. Это, в свою очередь, означает, что исследователи могут разводить и скрещивать тысячи особей в лаборатории, пока не появятся интересные мутации.

Чтобы ускорить данный процесс, ученые обычно подвергают мух воздействию химикатов, вызывающих мутацию, которые называются мутагенами.

Первые мутации мух, показавшие измененные биологические ритмы, были идентифицированы в начале 1970-х годов Роном Конопкой и Сеймуром Бензером – учеными из Калифорнийского технологического института. Исследователи скармливали мутаген нескольким плодовым мушкам, а затем наблюдали за перемещением их 2000 потомков [Scientific American, 2000].

У большинства мух был нормальный 24-часовой циркадный ритм: насекомые были активны примерно 12 часов в день и отдыхали в течение остальных 12 часов. Но у трех мух произошли мутации, которые нарушили эту модель. У одной из них цикл составил 19 часов, у второй – 28, а у третьей мухи циркадный ритм вообще не наблюдался, она отдыхала и становилась активной, по всей видимости, в произвольном порядке [Scientific American, 2000].

В 2017 году исследователи Джеффри Холл, Майкл Росбаш и Майкл У. Янг получили Нобелевскую премию за свои исследования в области циркадных ритмов [National Institute of General Medical Science, 2020].

Изучая плодовых мушек, генетический состав которых очень похож на человеческий, они выделили ген, помогающий управлять биологическими часами организма. Ученые выявили, что данный ген производит белок, накапливающийся в клетках за ночь, а затем распадающийся в течение дня. Данный процесс может повлиять на то, насколько остро работает человеческий мозг в процессе сна.

Большинство исследований биологических часов животных сосредоточено на мозге, но это не единственный орган, который наблюдает ритм дня и ночи.

Нейробиолог Ядвига Гибултович из Университета штата Орегон выделила белки PER и TIM – ключевые компоненты, биологического часа – в почках. Она также заметила, что белки вырабатываются в соответствии с циркадным циклом, повышая свою концентрацию ночью и снижая ее днем. Интересным является и тот факт, что цикл сохранялся даже у обезглавленных мух [Scientific American, 2000].

Группа ученых под руководством профессора Стива Кея из Исследовательского института Скриппса, обнаружила свидетельства существования биологических часов в крыльях, ногах, ротовой полости и антеннах плодовых мух. Кей и его коллеги доказали, что каждая ткань организма насекомых несет независимые светочувствительные часы, которые продолжают работать и реагировать на свет, даже когда она отделяется от насекомого [Scientific American, 2000].

Ученые получают данные о циркадных ритмах, не только изучая людей и мух. Большое количество выводов они делают, наблюдая за лабораторными крысами и мышами. Так, например, Уэли Шиблер из Женевского университета в 1998 году выявил, что гены клеток соединительной ткани крысы, называемые фибробластами, активны в соответствии с ее циркадным циклом.

В Национальном институте общих медицинских наук (National Institute of General Medical Science – NIGMS) нейробиолог Майк Сесма занимается отслеживанием научных исследований биологических часов организма человека, проводимых в лабораториях по всей стране [EarthSky, 2014]. На основании полученных данных ученый сделал следующие выводы о о том, что внутренние часы:

1. Очень сложно и тонко устроены.
2. Представлены в каждом организме – от водорослей до человека.
3. Работают независимо периода бодрствования или сна.
4. Влияют практически на все внутренние процессы организма.

Исследователи, проводящие эти эксперименты, контролируют окружающую среду объекта, искусственно создавая периоды дня и ночи. При этом они наблюдают за произошедшими изменениями в активности генов или другими молекулярными сигналами [Frontiers in Behavioral Neuroscience, 2018].

Помимо этого, ученые изучают организмы с нерегулярными биоритмами, чтобы определить, какие генетические компоненты биологических часов могут быть нарушены.

Какие факторы могут повлиять на сбой в работе биологических часов?

У большинства людей биологические часы работают по довольно типичному графику. Но у некоторых они выходят за пределы нормального диапазона.

Так называемые утренние «жаворонки» встают рано, бодры и полны сил сразу после пробуждения. Люди типа «совы» медленно просыпаются, максимально неэффективны по утрам, а ночью, наоборот, энергичны и продуктивны. Генетические различия между «жаворонками» и «совами», вероятно, связаны с работой их биологических часов.

С возрастом биологические часы человека претерпевают множество изменений по количеству часов, необходимых на сон. Так, например, биоритмы новорожденных вынуждают их спать примерно от 16 до 20 часов в день. В возрасте от 1 до 4 лет потребность детей во сне снижается примерно до 11-12 часов в день. Подросткам же требуется от 9 до 10 часов сна, в то время как типичный взрослый чувствует себя хорошо отдохнувшим, если спит от 7 до 9 часов в сутки. Наконец, пожилым людям старше 65 лет может потребоваться до 8 часов сна в сутки, но они могут страдать от проблем со сном, таких как частые ночные пробуждения или слишком ранние утренние подъемы [OnHealth, 2018].

Изменения в организме и факторы окружающей среды могут привести к рассинхронизации циркадных ритмов человека и естественного цикла «свет-темнота». Это может быть вызвано рядом факторов, например:

• мутации или изменения в определенных генах;
• смена часовых поясов;
• сменная работа в ночное время;
• свет, исходящий от электронных устройств ночью;
• стресс.

Данные факторы могут вызывать нарушения сна и привести к обострению или формированию хронических заболеваний, таких как ожирение, диабет, депрессия, биполярное расстройство и сезонное аффективное расстройство.

При смене часовых поясов происходит сбой часов биологических. Например, когда вы путешествуете из Москвы в Красноярск, вы «теряете» 4 часа. Проснувшись в 6 утра в Красноярске, вы все еще можете чувствовать себя невыспавшимся, поскольку ваши биологические часы работают по столичному времени.

Конечно, биологические часы синхронизируются с внешними факторами, но это происходит в определенное время и при разной скорости. Часто для того, чтобы биологические часы сравнялись с новым часовым поясом, может потребоваться несколько дней [Frontiers in Behavioral Neuroscience, 2018].

Интересно отметить, что приспособиться после «выигрыша» времени может быть немного легче, чем после «потери» времени, потому что мозг настраивается по-разному в этих двух ситуациях.

Как сохранить работу биологических часов?

Простыми словами, биологические часы организма человека контролируют, чтобы все его процессы, происходили по определенным, фиксированным часам. Любое отклонение от данного графика, спровоцированное внутренними сбоями или внешними факторами, может привести к непоправимым последствиям.

Вопреки распространенному ошибочному мнению, на самом деле нет никакого способа наверстать упущенный сон. Наука говорит, что экономия на сне рано или поздно настигнет любого, не оставив никакого способа восполнить потерянные драгоценные часы.

Лучшее лечение любой болезни – это ее профилактика. Поэтому мы подготовили для вас несколько советов, соблюдение которых позволит сохранить работу биологических часов или вернуться к нормальному ритму, если сбой уже произошел.

Соблюдайте постоянный график сна

Один из способов поддерживать биологические часы организма в отличном состоянии – придерживаться распланированного по часам и постоянного графика сна. Старайтесь ложиться спать и вставать в одно и то же время каждый день, даже в выходные. Время отхода ко сну и бодрствования должно отклоняться не более чем на полчаса раньше или позже ежедневно.

В спальне должно быть прохладно, темно и тихо, чтобы лучше выспаться. Если вам нужно спать днем, используйте беруши и маску для глаз. При необходимости вздремните, но ограничьте себя не более чем 1-2 часами, чтобы не нарушить график сна.

Сформируйте правильные привычки перед сном

Внутреннее освещение и экраны компьютеров, планшетов, смартфонов и телевизоров излучают синий свет, который нарушает циркадные ритмы, вредит вашим глазам и мешает спать. Он также дает сигнал мозгу прекратить производство мелатонина.

Выключите или ограничьте воздействие устройств на несколько часов перед сном, чтобы они не влияли на ваши внутренние часы. Приглушите освещение в помещении вечером, чтобы постепенно подготавливать организм ко сну. Откажитесь от использования гаджетов или просмотра телевизора. Вместо этого прочтите легкую книгу, примите теплую ванну, послушайте успокаивающую музыку или помедитируйте.

Начинайте день с яркого света

Если утренние подъемы даются вам крайне тяжело, используйте максимально возможное количество света в первые минуты после пробуждения. Свет включает и выключает определенные гены, которые влияют на молекулярную функцию биологических часов и активизируют гормоны бодрствования. Максимальное воздействие света приводит к прекращению выработки мелатонина и провоцирует выработку кортизола.

Занимайтесь спортом

Физические упражнения улучшают качество сна и увеличивают его продолжительность. При этом совершенно не нужно истязать себя многочасовыми тренировками в тренажерном зале. Достаточно делать несложную зарядку на все группы мышц всего 10 минут в день, чтобы значительно повысить качество работы биологических часов.

Откажитесь от еды на ночь

Поздний прием пищи может повредить не только вашей фигуре, но и качеству сна. Ужинайте каждый вечер в одно и то же время, но не позднее 2-3 часов до сна. Откажитесь от тяжелой, острой и жирной пищи, а также избегайте кофеина во второй половине дня.

Обратитесь к специалисту

Иногда биологические ритмы сбиваются настолько, что самостоятельно наладить их у человека уже не получается. В таких случаях необходимо обращаться за помощью к специалисту в области сна. Врач определит причины подобного сбоя и назначит вам соответствующую терапию для исправления ситуации.

Не стоит пренебрегать данным пунктом, поскольку от циркадных ритмов зависит не только качество вашего сна и настроение по утрам, но и ваше здоровье.

Наладьте режим питания

Каждый ваш прием пищи влияет на маркеры кардиометаболического риска, включая инсулин и общий холестерин. Некоторые исследования показали, что, когда люди едят регулярно в течение дня, эти маркеры находятся в более здоровом диапазоне по сравнению с тем, когда люди пренебрегают дисциплиной в питании.

Чтобы поддерживать свой организм в здоровом состоянии принимайте пищу в одно и то же время каждый день.

Откажитесь от вредных привычек

Результаты некоторых исследований показывают, что потребление алкоголя, амфитаминов и опиоидов сдвигает или изменяет биологические часы. Гены часов влияют на то, как мы справляемся со стрессовыми факторами (физическими, эмоциональными и умственными).

Чем слабее психика человека, тем более вероятно, что он попадет в зависимость от вредных веществ. В таком случае следует сразу же обратиться за помощью к квалифицированному специалисту.

Принимайте витамины

Исследования показывают, что витамин А является жирорастворимым витамином, необходимым для нормального функционирования биологических ритмов, а его дефицит негативно сказывается на их работе.

Доступными источниками витамина А являются сладкий картофель, говяжья печень, шпинат, морковь, тыква, дыня, красный перец и манго. Витамин A также важен для поддержания здоровья глаз, иммунитета, клеток и органов.

Эти советы помогут вам избежать негативных последствий неправильной работы биоритмов и биологических часов.

Люди, работающие в ночные смены, больше всех подвержены нарушению работы биологических часов. Помимо вышеперечисленных советов им следует с особой заботой относиться к своему сну.

После окончания смены таким людям следует ограничить пребывание на ярком свете или, по возможности, надеть солнцезащитные очки. Спать днем необходимо при плотно занавешенных шторах, не пропускающих солнечный свет.

Заключение

Организм человека по-прежнему продолжает таить в себе массу загадок и секретов. Такие тонкие настройки как биологические часы, требуют деликатного и осознанного подхода к решению вопросов, связанных с их работой.

Понимание того, что заставляет биологические часы работать правильно, может предотвратить серьезные проблемы вроде нарушения сна, ожирения, появления психических расстройств и многих других.

Узнав больше о генах, ответственных за биологические ритмы, мы также сможем лучше понять человеческое тело и начать жить с ним в гармонии.

Источник: m.vk.com

Комментарии: